Рекуперация в автомобиле: Рекуперация: и дать, и взять — журнал За рулем

Рекуперация: и дать, и взять — журнал За рулем

С распространением гибридов и электромобилей в автомобильном лексиконе появился непривычный термин «рекуперация». В чем смысл этого слова?

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

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

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

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

Например, существует рекуперация тепла в системах вентиляции, когда удаляемый из помещения воздух подогревает поток, нагнетаемый внутрь. Или рекуперация драгоценных камней или металлов, которые извлекают из отработавших ресурс инструментов, восстанавливают и вновь пускают в производство. В транспортных же машинах, в том числе в автомобилях, часто встречается рекуперация электрической энергии.

Как оно работает

Самый простой пример конструкции, позволяющей возвращать энергию, — умный генератор. При интенсивном разгоне он отключается, чтобы разгрузить двигатель, — следовательно, уменьшается расход топлива и количество вредных выбросов. Потребители электричества в это время вытягивают энергию из аккумулятора. Водитель убирает ногу с педали газа — генератор вновь подключается и пополняет заряд батареи, а автомобиль экономит до 3% горючего.

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

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

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

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

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

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

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

У таких машин тормозная система, как и силовая установка, — гибридная. Бессменная гидравлика, приводящая в действие колесные механизмы, работает обычно при интенсивном замедлении, а при плавном (до 0,2–0,3g) используется так называемое рекуперативное торможение. Электродвигатель переходит в режим генератора, обмотки статора отдают ток в аккумуляторную батарею, что создает тормозной момент, заставляющий автомобиль останавливаться. Чем сильнее водитель давит на тормоз, тем выше противодействующий момент — и тем интенсивнее автомобиль замедляется, а электромотор заряжает батареи. Таким образом, рекуперация позволяет не только экономить топливо (примерно 5–10%), но и в полтора-два раза реже менять тормозные колодки.

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

Использование

Принцип рекуперации пытаются использовать в автомобилях Формулы 1: редкий случай, когда технологию опробовали на серийных машинах, а потом предложили королеве автоспорта. Правда, конструкции так называемого KERS (Kinetic Energy Recovery System — система возврата кинетической энергии) здесь более изощренные. Большинство команд используют электрическую рекуперацию. У «Вильямса» в коробку встроен сверхкомпактный маховик, который раскручивается при торможении, накапливая механическую энергию, чтобы потом отдать ее обратно на колеса:

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

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

599 GTB Фьоранo

2018 год > Новые автомобили Audi

Система рекуперации энергии обеспечивает до 30% запаса хода электромобиля. Она включает два электродвигателя и интегрированную электрогидравлическую систему управления торможением. Впервые объединены три различных режима рекуперации: ручная рекуперация энергии при движении накатом, управляемая подрулевыми переключателями; автоматическая рекуперация энергии за счет работы ассистента эффективности движения; рекуперация энергии при плавном переходе между торможением электродвигателями и торможением с помощью гидравлической тормозной системы. Замедление с интенсивностью до 0,3 g прототип Audi e-tron обеспечивает только посредством электродвигателей, без использования гидравлической системы. Этого достаточно для более чем 90% всех ситуаций торможения, благодаря чему энергия возвращается в батарею при обычных условиях движения.

Водитель может отрегулировать производительность рекуперации при движении накатом, используя подрулевые переключатели. При выборе наименее интенсивного уровня рекуперации тормозной момент при движении накатом отсутствует. При выборе наиболее интенсивного уровня рекуперации электромобиль интенсивно замедляется при сбросе скорости, благодаря чему водитель может снижать скорость и разгоняться, используя только педаль акселератора. Это создает ощущение «одной педали». При таком режиме производительности рекуперации необходимость в использовании педали тормоза отпадает.

Колесные тормозные механизмы подключаются, когда требуемая степень замедления превышает 0,3 g и водитель использует педаль тормоза. Благодаря электрогидравлической системе управления торможением колесные тормозные механизмы подключаются мгновенно. Бренд Audi стал первым в мире автопроизводителем, который использовал такую концепцию в серийной модели электромобиля. Гидравлический поршень в компактном тормозном модуле генерирует достаточное давление, чтобы обеспечить дополнительную мощность при рекуперативном торможении. Когда срабатывает система экстренного торможения, между началом торможения и развитием максимального тормозного давления проходит всего 150 миллисекунд. Благодаря такому быстрому росту давления тормозной путь сокращается на величину до 20% по сравнению с тормозным путем при работе традиционных тормозных систем.

В зависимости от ситуации на дороге интегрированная электрогидравлическая система управления торможением принимает решение и включает электронное управление для каждой отдельной оси, определяя способ замедления прототипа Audi e-tron: с помощью электродвигателя, с помощью колесных тормозных механизмов или комбинируя оба варианта. Педаль тормоза напрямую не связана с гидравлическим контуром рабочей тормозной системы. Переход от торможения электродвигателем к торможению с помощью гидравлической тормозной системы осуществляется настолько плавно, что водитель даже не замечает этого. Такая система позволяет электрическому кроссоверу максимально эффективно использовать потенциал рекуперативного торможения при поддержке ассистента эффективности движения. Для определения дорожной ситуации и прогнозирования система использует радарные датчики, изображения с видеокамер, данные системы навигации и информацию взаимодействия автомобиля с другими объектами (car-to-X). Необходимая информация дублируется на виртуальной приборной панели Audi virtual cockpit, рекомендуя водителю в нужный момент убрать ногу с педали акселератора. Взаимодействуя с опционной системой адаптивного круиз-контроля, ассистент эффективности движения может заранее замедлять или разгонять электрический кроссовер.

О некоторых особенностях системы рекуперативного торможения

Одним из преимуществ гибридных и электромобилей (HEV) является их способность рекуперировать энергию торможения благодаря наличию системы рекуперативного торможения. В этой статье мы объясним, как работает эта энергосберегающая система. А также затронем особенности ее технического обслуживания.

Что представляет собой система рекуперативного торможения?

Из школьного курса физики мы знаем, что энергию невозможно создать или уничтожить — ее можно только преобразовать из одной формы в другую. На этом же принципе основана работа тормозной системы. Чтобы машина остановилась, кинетическая энергия, накопленная во время движения, должна куда-то уйти. В обычной гидравлической тормозной системе для преобразования кинетической энергии автомобиля в тепло используется сила трения, возникающая между тормозной колодкой и диском или барабаном. Затем тепло рассеивается в атмосфере, и машина замедляет свой ход.
 
В гибридных и электромобилях с системой рекуперативного торможения эта энергия используется гораздо эффективнее. Вместо того, чтобы просто рассеивать ее в воздухе в виде тепла, автомобиль превращает ее в электрическую энергию, которая сохраняется в его аккумуляторах. Помогая затормозить автомобиль сохраненная энергия обеспечивает электричество для будущей работы электродвигателя, повышая его эффективность.

Как работает система рекуперативного торможения?

Приводя в движение автомобиль с системой рекуперативного торможения электродвигатель получает энергию от аккумулятора, создавая кинетическую энергию, необходимую для вращения колес. Однако, когда включается тормоз, этот процесс работает в обратном режиме. Теперь кинетическая энергия, которая изначально использовалась для приведения автомобиля в движение, заставляет колеса вращать электродвигатель, превращая его в подобие генератора. Вместо потребления электричества двигатель/генератор начинает производить его, используя кинетическую энергию автомобиля. Эта электрическая энергия сохраняется в высоковольтной батарее и затем повторно используется для обеспечения движения автомобиля. Поскольку система рекуперативного торможения преобразует кинетическую энергию автомобиля в электричество, она может замедлять его так же, как это делает гидравлический тормоз, использующий силу трения.

Оснащаются ли электромобили гидравлической тормозной системой?

В большинстве случаев электродвигатель/генератор обеспечивает достаточное тормозное усилие для замедления автомобиля. Тем не менее, когда автомобиль движется с высокой или очень низкой скоростью, стоит или его батарея полностью заряжена, слишком сильно нагрелась или охладилась, электродвигатель не может самостоятельно обеспечить достаточное тормозное усилие и нуждается в поддержке гидравлической тормозной системы. Степень необходимости ее использования во многом будет зависеть от автомобиля. Например, на автомобилях Toyota Prius раннего поколения (2001-2004) гидравлические тормоза не использовались до тех пор, пока скорость автомобиля не опускалась ниже одиннадцати километров в час, за исключением случаев экстренного торможения

Что это означает для обслуживания тормозной системы?

Поскольку гидравлические тормоза — это, по сути, резервная система, они используются реже и теоретически должны служить дольше. Однако реальная ситуация может быть совсем другой — в связи с менее активным использованием гидравлических тормозов в них может накапливаться ржавчина и загрязняющие вещества, которые влияют как на фрикционную поверхность диска и крепления тормозных колодок, так и на поршень/направляющие штифты суппорта.. Вот почему основные компоненты тормозной системы все еще изнашиваются, только это обусловлено другими причинами.

Возьмем для примера держатель суппорта. Из-за коррозии, вызванной недостаточным использованием тормозов, тормозные колодки могут не полностью отходить от диска, что приводит к их ускоренному и неравномерному износу. Или же, в зависимости от мест возникновения коррозии, колодки могут неплотно прилегать к диску. В результате, какая-либо коррозия на фрикционной поверхности диска не будет полностью счищаться, что также приведет к появлению раковин на тормозном диске.

Конечно, возраст, условия эксплуатации и такие факторы окружающей среды, как вода, солевые брызги и изменения температуры, могут вызвать износ компонентов системы, как и на любом другом автомобиле. Таким образом, по прежнему рекомендуется проводить регулярную проверку технического состояния всей тормозной системы, будь то автомобиль с гибридным приводом, электрическим двигателем или двигателем внутреннего сгорания. Просто не забывайте соблюдать меры предосторожности, изложенные в руководстве, составленном автопроизводителем.
    
 

Рекуперация энергии в модели ID.4

• Максимальная энергоэффективность
• Возможность движения накатом в режиме D
• При отпускании педали акселератора возникает усилие до 0.13 g, во время торможения – около 0.3 g
• Мощные тормоза и не требующие замены задние тормозные колодки

Рекуперация энергии торможения, или регенерация энергии при замедлении, существенно увеличивает запас хода любого электромобиля. В новой модели Volkswagen ID.4 данная концепция нацелена на обеспечение максимальной энергоэффективности.

Довольно сложно понять, что должно происходить, когда водитель электромобиля убирает ногу с педали акселератора. Тяговый электродвигатель должен переключаться в режим генератора, чтобы преобразовывать кинетическую энергию в электрическую? Или не должен делать этого, чтобы инерция автомобиля использовалась для движения накатом?

Ответы на эти вопросы отличаются в зависимости от производителей и моделей электромобилей. В этой ситуации некоторые электромобили всегда рекуперируют энергию. Но инженеры Volkswagen выбрали для нового электрического кроссовера ID.4 и компактного ID.3 иное, более эффективное решение: приоритет отдается движению накатом, так как любое преобразование энергии неизбежно ведет к потерям. Это применимо к режиму D («Движение») трансмиссии, который является основным и автоматически активируется при каждом включении электромобиля.

Движение накатом и рекуперация энергии. Функция движения накатом, срабатывающая, когда водитель убирает ногу с педали акселератора, гарантирует расслабленное вождение и прогнозируемое движение. Если возникает необходимость в повышении интенсивности замедления, водитель нажимает педаль тормоза, активируя рекуперацию энергии торможения. Электродвигатель обеспечивает замедление с усилием около 0.25 g, которого хватает в большинстве повседневных ситуаций. Колесные тормоза включаются сервоприводом, только когда необходимо более интенсивное торможение. Переход от торможения электродвигателем с генерацией энергии к торможению гидравлическими тормозными механизмами происходит практически незаметно для водителя. Это достигается благодаря исключительно точным и быстродействующим системам управления торможением и приводом. Кроме того, эти системы обеспечивают надлежащий уровень сцепления задних колес, на которых происходит рекуперация энергии торможения, с дорожным покрытием.

Эффективность в стандартной комплектации. В стандартное оснащение всех электромобилей ID.4 включена прогностическая система Eco Assistance. Она анализирует данные от навигационной системы и датчиков автомобиля и помогает водителю эффективно и непринужденно управлять автомобилем. Когда ID.4 подъезжает к зонам или участкам, по которым необходимо передвигаться с низкой скоростью (например, жилые зоны, перекрестки или повороты), система Eco Assistance информирует водителя о необходимости убрать ногу с педали акселератора. С этого момента система оптимизирует движение накатом и рекуперацию энергии без необходимости вмешательства водителя. Например, автомобиль надлежащим образом реагирует на приближение к другому транспортному средству, движущемуся впереди с низкой скоростью.

Режим D или B. Водитель в любой момент может переключаться между положениями D и В («Торможение») переключателя режимов движения. В режиме B система привода ID.4 практически всегда рекуперирует энергию, но не до полной остановки электромобиля. Для рекуперации энергии задано предельное усилие торможения 0.13 g. При этом замедление отчетливо заметно, но ощущения ярко выраженного торможения не возникает. Специалисты марки Volkswagen сознательно пошли на это, так как непринужденное и интуитивно понятное управление является одним из основных преимуществ электромобилей.

Помимо переключателя режимов движения на моделях ID.4 предусмотрен еще один инструмент, позволяющий выбирать соотношение между движением накатом и рекуперацией энергии, – функция выбора профиля движения, входящая в состав пакета Plus sports. В профиль Sport заложена рекуперация энергии торможения и в режиме D, но не в такой степени, как в режиме B. В некоторых ситуациях важным фактором оказывается уровень зарядки аккумуляторной батареи. Если она полностью заряжена, то принять дополнительную электроэнергию уже не может.

SUV нового типа. Спортивный, но при этом исключительно комфортный ID.4 поражает ярким дизайном кузова, внушительным пространством салона и передовыми решениями в области органов управления, дисплеев, информационно-развлекательных систем и вспомогательных систем для водителя. ID.4 – первый SUV с электроприводом от Volkswagen и первый электромобиль марки, предназначенный для реализации по всему миру. В декабре 2020 года на рынок выводятся шесть моделей крупнейшего сегмента мирового рынка – компактных SUV. Клиентам доступны тяговые аккумуляторные батареи емкостью 52 или 77 кВт·ч. Они обеспечивают запас хода до 520 км (в цикле WLTP). На начальном этапе будут предлагаться два электродвигателя: мощностью 170 л.с. и 204 л.с. Другие электромоторы появятся в 2021 году.

Электрический привод – будущее мобильности. Модель ID.4 появилась после ID.3 и стала вторым представителем линейки ID. ID. – синоним интеллектуального дизайна, яркой индивидуальности и устремленных в будущее технологий. К 2024 году марка Volkswagen планирует инвестировать 11 миллиардов евро в электрическую мобильность в рамках стратегии Transform 2025+.

Система рекуперации в гибридных автомобилях: обслуживание и ремонт

Главная » Система рекуперации в гибридных автомобилях: обслуживание и ремонт

В автомобилях с бензиновым или дизельным двигателем используется стандартная тормозная система, преобразующая кинетическую энергию в тепловую: соприкасаясь, колодки и диски нагреваются от трения. Как результат, тепловая энергия уходит в воздух. В гибридных автомобилях все чаще устанавливают систему рекуперации. В такой системе в трансмиссию входит электродвигатель. При нажатии на тормоз он начинает преобразовывать кинетическую энергию в электричество, сохраняя ее в аккумуляторе и создавая необходимый для остановки тормозной момент.

Преобразованная и сохраненная в аккумуляторе энергия используется для последующего движения, тем самым сокращая затраты владельца на подзарядку или заправку автомобиля. Рекуперативное торможение обычно используют на передней оси, так как на нее приходится наибольшая нагрузка. Существуют и другие способы сохранения энергии при торможении. Но механические, пневматические, гидравлические системы применяются реже электрических.

Систему рекуперации, как и любой другой узел автомобиля, необходимо обслуживать и время от времени ремонтировать.

Диагностика и техническое обслуживание

Гибридный автомобиль и машина с ДВС требуют разного подхода, но у них есть схожие узлы, от которых зависит состояние двигателя (электрического или бензинового). Это система охлаждения, без которой перегреется даже электромотор, и сама система торможения. В гибридах стандартное торможение используют наряду с рекуперативным. Для снижения скорости используют электродвигатель, для полной остановки — стандартные колодки и диски. Если последние не менять время от времени, они выйти из строя и привести к блокировке колес.

По этой причине в число обязательных сервисных работ входит проверка системы охлаждения (замена и доливка охлаждающей жидкости) и тормозных элементов. Последние меняют при износе.

Сам электрический «блок»: электродвигатель, аккумулятор, датчики, проводку — проверяют с помощью специальных сканеров и других устройств. Сканер позволяет получить сведения о всевозможных ошибках и неисправностях, напряжения, емкости, мощности аккумулятора, основных параметрах электродвигателя. Если возникли ошибки, их устраняют.

Ремонт системы

Так как рекуперативное торможение «работает» за счет электродвигателя, первым делом проверяют именно его. В узле могут возникнуть ошибки или поломки. При ошибках электронный блок управления перепрошивают. Перепрошивка позволяет избавиться от многих неисправностей в тормозной системе и не только.

Если неисправности возникли из-за поломки, перегрева двигателя, специалисты проводят ремонт и заменяют детали, которые вышли из строя. В целом, электродвигатели ремонтируют не часто, так как дешевле и проще полностью их заменить. Но в гибридном автомобиле мотор могут и отремонтировать.

Причиной неисправности может быть и сам аккумулятор, где сохраняется электроэнергия. В этом случае его емкость снижается, и автомобиль проезжает куда меньше после полной подзарядки. Эту проблему решают, восстанавливая аккумулятор (например, заливая новый электролит) либо заменяя его полностью. Метод ремонта зависит от типа аккумулятора и результата, на который вы рассчитываете (восстановленный аккумулятор прослужит меньше нового).

В любом случае перед ремонтом специалист выясняет причину поломки и устраняет ее. В одних ситуациях это может быть перегрев из-за неэффективной системы охлаждения, в других — замыкание. Есть и другие причины, связанные с работой одного из узлов автомобиля.

Поделитесь ссылкой со своими друзьями:

Совершенствование процесса рекуперации энергии гибридного автомобиля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС77 — 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408

электронный научно-технический журнал

Совершенствование процесса рекуперации энергии гибридного

автомобиля

# 07, июль 2013

Б01: 10.7463/0713.0588384

Бахмутов С. В., Филонов А. И., Баулина Е. Е.

УДК 629.113

Россия, ГНЦ ФГУП «НАМИ» Россия, Университет машиностроения (МАМИ)

б . Ьаккши1;оу@паш1. ги [email protected] [email protected]

Введение

Рекуперацией называется процесс возвращения части энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. Этот процесс возможен на автомобилях с комбинированной энергетической установкой (КЭУ). Использование КЭУ позволяет повлиять на состояние накопителя энергии, т.к. в нем возможна регенерация энергии во время движения автомобиля.

Существует несколько путей для рекуперации на борту автомобиля с комбинированной энергетической установкой. При наличии двигателя внутреннего сгорания, обладающего избытком мощности для движения, этот избыток можно возвращать в батарею. Избыток энергии может образоваться при движении автомобиля на постоянной скорости и даже при ускорении автомобиля. Еще один резерв для пополнения запаса энергии — это рекуперативное торможение. Именно процесс возвращения энергии при торможении потенциально представляется основным источником для пополнения недостатка энергии и устранения ее отрицательного баланса.

В целях удобства для данного исследования будем использовать термин «бортовая система рекуперации энергии» как неотъемлемую часть всей комбинированной энергетической установки гибридного автомобиля. Одной из основных задач при разработке систем рекуперации является правильный выбор накопителя энергии, который позволит системе рекуперации создавать высокие замедления при торможении, воспринимая большие мощности при создании значительного тормозного момента, что

позволит автомобилю на некоторых режимах замедляться только при помощи рекуперативного торможения.

1 Анализ основных проблем при создании системы рекуперации

Основными задачами при разработке систем рекуперации являются следующие:

— правильный выбор накопителя энергии;

— разработка эффективного алгоритма работы КЭУ;

— определение наилучших параметров агрегатов КЭУ для увеличения времени использования рекуперативного торможения с достаточной эффективностью без вовлечения в работу фрикционных тормозов. Высокие замедления при торможении способна обеспечить система рекуперации, воспринимающая большие мощности, следовательно, создающая значительный тормозной момент, что позволит автомобилю на некоторых режимах замедляться только при помощи рекуперативного торможения.

— выбор рациональной схемы КЭУ с минимальными потерями при преобразовании энергии из одного вида в другой при ее передаче от источника к источнику. КПД преобразований зависит от схемы примененной КЭУ. Выбранная схема оказывает заметное влияние на эффективность процесса рекуперации.

В Университете машиностроения работы над рекуператорами энергии ведутся на протяжении ряда лет. Например, результаты исследований маховичных рекуператоров показали, что это техническое решение позволяет улучшить топливную экономичность малого автобуса почти на 30% [1].

Применение маховичных накопителей исключает преобразования энергии из одного вида в другой, что повышает КПД процесса рекуперации. Эти накопители обладают большой удельной мощностью. Однако, такие недостатки механических рекуператоров, как большие размеры, необходимость применения бесступенчатой передачи, высокие требования к безопасности и необходимость учета аэродинамических эффектов из-за высокой скорости вращения маховика ограничивают возможности их применения в системах рекуперации массовых автомобилей.

В настоящий момент в рамках научно-образовательного центра «Автомобили с комбинированными энергетическими установками» Университета машиностроения ведутся работы над накопителями электрической энергии — аккумуляторными батареями. Комбинированная энергетическая установка с данными накопителями используется на автомобиле «МАМИ-КВАНТ», созданном сотрудниками центра (в соответствии с рисунком 1) [2].

Рисунок 1 — Автомобиль «МАМИ-КВАНТ»

В таблице 1 дана характеристика используемого на автомобиле накопителя энергии. Таблица 1 — Характеристики накопителя энергии

Марка и модель аккумулятора Optima YellowTop

Напряжение, В 120

Аккумуляторная батарея (тип) свинцово-кислотная

Количество аккумуляторов 10

Масса общая, кг 190

Макс. емкость (при 3-х часовом разряде), Ач 55

На рисунке 2 можно видеть расположение батареи на борту автомобиля.

Рисунок 2 — Аккумуляторные батареи

При использовании в системе рекуперации автомобилей с КЭУ накопителей электрической энергии возникает ряд проблем, обусловленных внутренними свойствами этих накопителей. Например, при высоком уровне заряда аккумуляторной батареи эффективность процесса подзарядки резко снижается.

Кроме того, невозможно заряжать батареи при низких скоростях движения автомобиля из-за того, что при малой частоте вращения якоря электромашины, работающей в режиме генератора, на возбуждение ее обмотки тратится больше энергии, чем возвращается в батарею. Данные ограничения влияют на величину тормозного момента, создаваемого генератором.

Тип батарей также накладывает ряд ограничений на процесс рекуперации. В нашем случае во избежание негативных эффектов, связанных с разрушением батареи, ток при ее зарядке не мог быть больше порогового значения. Это повлекло за собой уменьшение мощности рекуперации. Кроме этого, батарея имеет ограничение напряжения на терминальных выводах, превышение которого может привести к ее разрушению (в нашем случае ограничение составило 156 В).

В связи с вышесказанным необходимо тщательно подходить к выбору типа накопителя электрической энергии. В настоящее время в системах рекуперации гибридных автомобилей используются более перспективные никель-металлогидридные и литий-ионные аккумуляторы, а также в будущем возможно применение суперконденсаторов и комбинации «суперкондесатор-батарея».

2 Принципы выбора накопителя энергии

Выбор аккумуляторной батареи базируется на анализе и сравнении свойств и показателей аккумуляторов различных типов. Во-первых, при проектировании комбинированной энергетической установки необходимо учитывать удельные характеристики накопителей, такие как удельная энергия [Вт*ч/кг] и удельная мощность [Вт/кг]. Для свинцово-кислотных аккумуляторов, установленных на экспериментальном автомобиле «МАМИ-КВАНТ» абсолютные значения данных показателей сравнительно невелики, но их зависимость друг от друга удовлетворительна — при увеличении удельной мощности, например, в режиме зарядки, что требуется для обеспечения необходимой мощности рекуперации, удельная энергия, т.е. способность запасать полученное количество энергии, отнесенное к единице массы батареи, уменьшается незначительно. Для никель-металлогидридных батарей данная зависимость оптимальна — при увеличении удельной мощности в определенных пределах удельная энергия почти не уменьшается. Это выгодно отличает данные аккумуляторы от литий-ионных, у которых удельная энергия может уменьшиться в несколько раз при незначительном увеличении удельной мощности. Но этот недостаток в данном случае может компенсироваться увеличением числа аккумуляторов в батарее, так как масса одного литий-ионного аккумулятора намного меньше, чем свинцово-кислотного и никель-металлогидридного. В итоге масса батареи может быть одинаковой у всех трех типов аккумуляторов, а удельная мощность заметно отличаться.

Данный факт указывает на то, что при выборе накопителя необходимо анализировать и другие показатели батарей, такие как: масса, стоимость, освоенность в производстве, приспособленность к конкретным условиям эксплуатации, величину жизненного цикла и т.д. При разработке комбинированной энергетической установки для автомобиля «МАМИ-КВАНТ» выбор был сделан в пользу свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, потому что по стоимости, приспособленности к эксплуатации при низких температурах и освоенности в производстве данные батареи заметно отличаются в лучшую сторону от батарей других типов, а именно эти показатели, при допустимых ограничениях по удельным мощности и энергии, были определяющими в проекте. Благодаря высокой удельной мощности, практически неограниченному числу циклов заряда-разряда и широкому температурному диапазону работы суперконденсаторы представляются перспективным источником энергии, но в настоящий момент их низкие удельные энергетические параметры и высокая стоимость не позволяют говорить о возможности их широкого применения в качестве тяговых на автомобилях с КЭУ.

Упомянутые выше комбинации батарей с маховиками и суперконденсаторами также являются перспективными. Такое решение позволяет избежать ограничений по мощности зарядки, накладываемое батареей, так как в этом случае именно суперконденсатор воспринимает большую мощность и сразу передают ее в батарею, которая используется для хранения возвращенной энергии. В этом случае при подзарядке исключена возможность ее разрушения.

3 Проведение экспериментальных исследований

Для проведения экспериментальных исследований необходимо определить алгоритм работы автомобиля с КЭУ. Для исключения работы ДВС на режимах повышенной токсичности и высоких удельных расходов топлива автомобиль с КЭУ должен трогаться и разгоняться до определенной скорости в электрорежиме.

Далее необходимо определить до какой скорости автомобиль должен разгоняться в электрорежиме, какая передача должна быть включена в коробке передач в дальнейшем, на каком двигателе — электрическом или ДВС — осуществлять равномерное движение, сколько времени должен работать ДВС в цикле, чтобы обеспечить полную зарядку накопителей к концу цикла. При этом автомобиль с КЭУ должен обладать необходимой динамикой разгона с целью исключения возможности торможения городского транспортного потока, то есть ускорения при разгоне на электротяге должны быть порядка 1 м/с2. Так как электродвигатель обеспечивает требуемые ускорения в достаточно узком диапазоне скоростей автомобиля, то при достижении определенной скорости в работу вступает ДВС, работающий на режиме минимальных удельных расходов топлива. В случае избытка мощности ДВС разница между мощностью требуемой для движения и мощностью, которую обеспечивает ДВС, направляется в накопитель энергии через электромашину, работающую в режиме генератора. Если мощности ДВС не достаточно, дополнительно включается тяговый электродвигатель. При торможении происходит рекуперация энергии, батареи заряжаются.

Кроме того, за время городского цикла нужно обеспечить баланс энергий -энергия, затрачиваемая на разгон и равномерное движение автомобиля в цикле, должна быть компенсирована энергией, рекуперируемой в процессе замедления и вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания в течение дополнительного времени работы в цикле. где Vр.д. — скорость равномерного движения в городском цикле.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха на участке равномерного движения:

г V

= Гх Р р рд-

2 ‘ 3.63 ‘

Мощность, затрачиваемая на преодоление суммарного сопротивления на участке равномерного движения:

ЯМ2= М/ + .

На этапе замедления происходит рекуперация энергии автомобиля. Мгновенное значение мощности при рекуперации представляет собой разницу мощности, затрачиваемой на преодоление сил инерции и мощности, затрачиваемой на преодоление дорожного сопротивления:

Nрек = NJ — (К/ + ).

Интегрирование мощностей позволяет определить необходимую в фазе разгона и равномерного движения энергию и энергию, рекуперируемую в фазе замедления.рек Х

Так как накопленная энергия меньше затраченной на фазе разгона, то равномерное движение только на электродвигателе невозможно. Для зарядки накопителя требуется дополнительное время работы ДВС при равномерном движении.

Для определения времени работы ДВС и электродвигателя при движении в цикле

требуется составить баланс энергий в каждом интервале «разгон-равномерное движение-

торможение» цикла: энергия, затрачиваемая на разгон и равномерное движение в цикле

должна быть равна сумме энергии, накопленной в процессе замедления и вырабатываемой

ДВС при разгоне и равномерном движении.

А + А = А + АДВС + А Лраз. Лр.д. Лнак.доп. ■>

где Араз. — энергия, затраченная электродвигателем на фазе разгона в городском цикле, Ар.д. — энергия затрачиваемая электродвигателем на фазе равномерного движения при движении в электрорежиме, Анак. — энергия, накопленная в процессе замедления, АнакДВС -энергия, вырабатываемая ДВС при разгоне, Адоп. — энергия, направляемая в накопитель при равномерном движении.

Для прохождения заданного городского цикла с использованием средств вычислительной математики был составлен алгоритм работы КЭУ, позволяющий прийти к энергетическому балансу в конце цикла (в соответствии с рисунком 3).

60 -1-1-1-1-1-1-1-1-г

-40

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

t. сек

Рисунок 3 — Распределение мощности при движении в цикле ECE-15

Первый участок — автомобиль движется в электрорежиме.

Второй участок — автомобиль разгоняется в электрорежиме. При достижении заданной скорости 32 км/ч в работу вступает ДВС, при этом в коробке передач включена 3 передача. Из-за избытка мощности ДВС разница между мощностью требуемой для движения и мощностью, которую обеспечивает ДВС, направляется в накопитель энергии через электромашину. Через 10 секунд ДВС выключается и движение продолжается в электрорежиме.

Третий участок — автомобиль разгоняется в электрорежиме. При достижении заданной скорости 35 км/ч в работу вступает ДВС. В течение следующих 15 секунд работы ДВС избыточная мощность так же через электромашину направляется в накопитель. Оставшуюся часть цикла автомобиль проходит в электрорежиме.

Сотрудниками научно-образовательного центра были проведены стендовые и дорожные испытания автомобиля с комбинированной энергетической установкой. В ходе испытаний была выполнена оценка эффективности работы системы рекуперации энергии торможения и ее влияния на топливную экономичность автомобиля с КЭУ. Так как данный автомобиль имеет возможность накапливать энергию не только во время торможения, а также в режимах разгона и равномерного движения, это также было учтено при расчете расхода топлива [3].

Испытания проводились в соответствии с Правилами № 83 по европейскому городскому циклу ECE-15.

4 Анализ результатов экспериментальных исследований

Результаты испытаний показали, что применение комбинированной энергетической установки значительно улучшает топливную экономичность и экологичность автомобиля. С учетом норм Правил № 101 ЕЭК ООН для автомобилей с КЭУ эквивалентный расход топлива составил 12.4 л/100 км. Экономия топлива при компенсации дисбаланса энергии получена за счет выключения ДВС при замедлении, остановках и в начальной фазе разгона автомобиля. Кроме этого, экономия обеспечивается рекуперацией энергии. Этот процесс иллюстрируется таблицей 4:

Таблица 4 — Экономия топлива с учетом рекуперации

Рекуперация при торможении Подзарядка батареи при равномерном движении Подзарядка батареи во время разгона

Снижение расхода топлива, л/100 км 0.6 1.71 0.28

Возвращенная энергия, кДж 55.61 156.91 25.74

Доля возвращенной энергии 23 66 11

Таблица 4 демонстрирует возможности рекуперации на автомобиле «МАМИ-КВАНТ». Наибольшую долю возвращенной энергии дает рекуперация при равномерном движении автомобиля в цикле, когда двигатель внутреннего сгорания работает по характеристике минимальных удельных расходов топлива, а значит с почти полностью открытой дроссельной заслонкой, а избыток энергии направляется в накопитель. Также небольшой вклад вносит и подзарядка батареи при разгоне автомобиля в цикле, когда также образуется небольшой избыток энергии при работе ДВС по характеристике минимальных удельных расходов топлива. Рекуперация при торможении возвращает в батарею 23% энергии. Но общая эффективность процесса рекуперативного торможения невелика. Данный факт иллюстрирует таблицей 5.

Таблица 5 — Эффективность процесса рекуперации

Свободная кинетическая энергия при торможении, кДж 457.16

Энергия, возвращенная в накопитель при торможении, кДж 55.61

Эффективность, % 12

Как можно видеть из таблицы 5, при торможении запасается лишь 12% от всей кинетической энергии, которую теоретически можно было бы вернуть в накопитель во время замедления. Это произошло из-за того, что процесс рекуперации невозможен при низких скоростях движения и по причине ограничения тока (а значит и мощности) зарядки во избежание разрушения свинцово-кислотных батарей, установленных на автомобиле.

5 Рекомендации по выбору накопителя энергии

На основе анализа представленных на рынке гибридных автомобилей и аккумуляторов энергии были сформированы требования к «идеальному» аккумулятору, применение которого позволит решить большинство существующих проблем и простимулирует автопроизводителей к широкому внедрению КЭУ на автомобилях. Основными требованиями, которым должен удовлетворять аккумулятор, в том числе с учетом отечественных условий, являются:

— Цена за кВт*ч должна быть ниже 500 $;

— Диапазон рабочих температур: -50 … +80 °С;

— Число циклов заряд-разряд: более 2000;

— Способность к микроциклированию;

— Удельные характеристики:

— Удельная энергия более 300 Вт*ч/кг,

— Удельная мощность выше 500 Вт/кг;

— Способность воспринимать перегрузки свыше 20С;

— Пожаро- и взрывобезопасность;

— Экологичность в полном жизненном цикле.

С учетом сделанных выводов в настоящее время ведется работа по созданию модернизированной системы накопления энергии на базе современных литий-ионных аккумуляторов энергии. В основе блока накопителя лежат аккумуляторные ячейки фирмы Thunder Sky, приведенные на рисунке 4. Параметры ячеек приведены в таблице 6. Указанные ячейки объединены в модули. Каждый модуль имеет систему контроля текущего состояния по уровню заряда и температуре, а также систему выравнивания заряда аккумуляторов в модуле. Накопитель требуемой емкости и напряжения набирается

из вышеуказанных модулей, оснащается системой поддержания рабочей температуры в узком диапазоне и устанавливается на автомобиль. Форму накопителя можно менять в зависимости от компоновочных особенностей базового автомобиля.

Рисунок 4 — Общий вид аккумулятора энергии

Таблица 6 — Характеристика аккумулятора энергии

Показатель Значение

Номинальная емкость, А*ч 40

Напряжение разряда, В 2,8

Напряжение заряда, В 4,0

Максимальный зарядный ток 3С

Максимальный разрядный ток (постоянный) 3С

Максимальный разрядный ток (импульсный) 20С

Номинальный зарядный/разрядный ток 0,5С

Количество циклов при 80% разряде Более 3000

Количество циклов при 70% разряде Более 5000

Температура корпуса, 0С Не более 200

Рабочая температура, 0С -45 … 85

Саморазряд Не более 3% в месяц

Масса, кг 1,6

Одним из преимуществ данных аккумуляторов является возможность в ближайшей перспективе организации их массового производства на территории России, что приведет к снижению их цены и повышению доступности компонентной базы для КЭУ.

Заключение

Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что использование рекуперации положительно влияет на топливную экономичность и экологичность автомобиля, однако ее эффективность на автомобиле «МАМИ-КВАНТ», относительно невысока. Во многом из-за несовершенства бортового накопителя энергии. Поэтому для улучшения параметров рекуперации необходимо провести ряд усовершенствований, а именно:

— применить накопители энергии с высокими удельными мощностными и энергетическими показателями;

— применить комбинированную систему накопления энергии, состоящую из высокомощных конденсаторов и тяговых батарей (в перспективе).

Список литературы

1. Фиронов А.М. Повышение топливной экономичности городского автобуса путем применения рекуператора энергии торможения: дис. … канд. техн. наук. М., 1987. 188 с.

2. Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Филонов А.И. Работы МГТУ «МАМИ» в области автомобилей с гибридными силовыми установками // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 2 (20). С. 17-21.

3. Конструктивные схемы автомобилей с гибридными силовыми установками / С.В. Бахмутов, А.Л. Карунин, А.В. Круташов, В.В. Ломакин, В.В. Селифонов, К.Е. Карпухин, Е Е. Баулина, Ю.В. Урюков. М.: МГТУ «МАМИ», 2007. 72 с.

SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE RAIJMAN MS TU

SCIENCE and EDUCATION

EL № FS77 — 48211. №0421200025. ISSN 1994-040S

electronic scientific and technical journal

Improvement of recuperation for a hybrid vehicle

# 07, July 2013

DOI: 10.7463/0713.0588384

Bakhmutov S.V., Filonov A.I., Baulina E.E.

Russia, Federal State Unitary Enterprise «Central Scientific Research Automobile and Engine

Institute»

Russia, Moscow State Universityof Mechanical Engineering (MAMI) University of Mechanical

Engineering s. bakhmutov@nami. ru [email protected] [email protected]

In this article the authors analyze various energy recovery systems of hybrid vehicles. Conclusions on inadequacy of existing technical solutions were drawn. The article also describes principles of selecting an energy recovery device that meets the performance level requirements of a hybrid vehicle. The authors describe the construction of an experimental vehicle with a hybrid powertrain. They also developed an algorithm of the operation of a vehicle with a hybrid powertrain during its movement in the urban cycle, which takes power balance in the drive into account. Results of the experimental research of a vehicle confirmed existence of limitations associated with a mounted energy storage device and electrical components. In addition, requirements for an «ideal» battery were specified.

Publications with keywords: energy performance, car, hybrid, recuperation Publications with words: energy performance, car, hybrid, recuperation

References

1. Fironov A.M. Povyshenie toplivnoy ekonomichnosti gorodskogo avtobusaputem primeneniya rekuperatora energii tormozheniya. Kand. diss. [Increase of fuel economy of city bus through the use of recuperator of braking energy. Cand. diss.]. Moscow, 1987. 188 p.

2. Bakhmutov S.V., Selifonov V.V., Filonov A.I. Raboty MGTU «MAMI» v oblasti avtomobiley s gibridnymi silovymi ustanovkami [Scientific activity of MSTU «MAMI» in the field of hybrid electric vehicles]. Transport na al’ternativnom toplive, 2011, no. 2 (20), pp. 17-21.

3. Bakhmutov S.V., Karunin A.L., Krutashov A.V., Lomakin V.V., Selifonov V.V., Karpukhin K.E., Baulina E.E., Uryukov Yu.V. Konstruktivnye skhemy avtomobiley s gibridnymi silovymi ustanovkami [Structural designs of vehicles with hybrid power plants]. Moscow, MSTU «MAMI» Publ., 2007. 72 p.

Системы рекуперации в гибридном автомобиле

Цель

Проанализировать системы рекупераций в гибридных силовых агрегатах разных транспортных средств и разработать оптимальную силовую установку для городского автомобиля с использованием технологий современных силовых установок болидов Формулы-1.

Задачи

1. На примере Формулы-1 рассмотреть виды рекупераций энергии.

2. Провести анализ систем рекуперации в гражданском транспорте.

3. Проанализировать отдельно взятые элементы силовой установки.

4. Разработать на основе приведённых анализов оптимальную силовую установку с использованием систем рекупераций.

Описание

Основной задачей проекта является внедрение практически совершенных систем рекуперации, которые используются в Формуле-1, и рассмотрение основных плюсов и минусов этого внедрения. Главным плюсом является накопление энергии, по большому счёту, из ничего, а точнее – из кинетической энергии движущегося автомобиля и кинетической энергии, которой обладает турбина. Для того чтобы эту энергию накопить и преобразовать, используют два мотора-генератора. Один устанавливается на коленчатый вал автомобиля, другой − на вал турбины. Первый мотор-генератор даёт дополнительный крутящий момент автомобилю, снимая некоторую нагрузку с двигателя и при этом накапливая кинетическую энергию автомобиля за счёт электрического сопротивления генератора. Второй мотор-генератор предотвращает появление турбоям и преобразует кинетическую энергию вала турбины в электрический ток.

Результат

В результате был спроектирован оптимальный вариант силовой установки с использованием систем рекуперации.

Оснащение и оборудование

В основном использовались чертежи силовых установок болидов Формулы-1, схемы, рисунки, таблицы.

Перспективы использования результатов работы

Силовая установка является оптимальной для городской среды, так как потребляет малое количество топлива, быстро накапливает энергию и намного меньше загрязняет окружающую среду, нежели её полностью бензиновые аналоги.

Сотрудничество с вузом при создании работы

ГБПОУ МТК

Особое мнение

«Проект «Инженерный класс в московской школе» не только дал мне возможность более углублённо изучать профильные предметы, но и предоставил возможность расширить свой кругозор в сфере инженерной специальности. Этот опыт в дальнейшем поможет мне совершенствовать свои инженерные навыки.

Сама конференция позволила познакомиться со многими отраслями инженерного дела»

Рекуперация: и дать, и взять — журнал За рулем

С распространением гибридов и электромобилей в автомобильном лексиконе появился непривычный термин «рекуперация». В чем смысл этого слова?

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

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

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

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

Например, существует рекуперация тепла в системах вентиляции, когда удаляемый из помещения воздух подогревает поток, нагнетаемый внутрь. Или рекуперация драгоценных камней или металлов, которые извлекают из отработавших ресурсов инструментов, восстанавливают и вновь пускают в производство.В транспортной же машинех, в том числе в автомобилях, часто встречается рекуперация электрической энергии.

Как оно работает

Самый простой пример конструкции, позволяющей возвращать энергию, — умный генератор. Прином интенсивно разгоне он отключается, чтобы разгрузить двигатель, — следовательно, уменьшается расход топлива и количество вредных выбросов. Потребители электричества в это время вытягивают энергию из аккумулятора. Водитель убирает ногу с педали газа — генератор вновь подключается и пополняется заряд батареи, а автомобиль экономит до 3% горючего.

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

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

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

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

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

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

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

У таких машин тормозная система, как и силовая установка, — гибридная. Бессменная гидравлика, приводящая в действие колесные механизмы, обычно работает при интенсивном замедлении, а при плавном (до 0,2–0,3g) используется так называемое рекуперативное торможение.Электродвигатель переходит в режим генератора, обмотки статора отдают ток в аккумуляторную батарею, что создает тормозной момент. Чем сильнее водитель давит на тормоз, выше противодействующий момент — и тем интенсивнее автомобиль замедляется, а электромотор заряжает батареи. Таким образом, рекуперация позволяет не только экономить топливо (примерно 5–10%), но и в полтора-два раза реже менять тормозные колодки.

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

Использование

Принцип рекуперации пытается использовать в автомобиле Формулы 1: редкий случай, когда технологии опробовали на серийных машинах, а потом предложили королеве автоспорта. Правда, конструкции так называемого KERS (система восстановления кинетической энергии — система возврата кинетической энергии) здесь более изощренные.Большинство команд используют электрическую рекуперацию. У «Вильямса» в коробку встроенный сверхкомпактный маховик, который раскручивается при торможении, накапливая механическую энергию, чтобы потом отдать ее обратно на колесо:

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

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

599 GTB Фьоранo

2018 год> Новые автомобили Audi

Система рекуперации энергии обеспечивает до 30% запаса хода электромобиля. Она включает два электродвигателя и интегрированную электрогидравлическую систему управления торможением. Впервые объединены три режима рекуперации: ручная рекуперация энергии при движении, управляемыми подрулевыми переключателями; автоматическая рекуперация энергии за счет работы ассистента эффективности движения; рекуперация энергии при плавном переходе между торможением электродвигателями и торможением с помощью гидравлической тормозной системы.Замедление с интенсивностью до 0,3 прототипа Audi e-tron обеспечивает только посредством электродвигателей, без использования гидравлической системы. Этого достаточно для более чем 90% всех действий торможения, благодаря чему энергия возвращается в батарею при обычных условиях движения.

Водитель может отрегулировать производительность при движении накатом, используя подрулевые переключатели. При выборе интенсивного уровня рекуперации тормозного момента при движении накатом отсутствует.При выборе наиболее интенсивного уровня рекуперации электромобиль интенсивно замедляется при сбросе скорости, благодаря тому, что водитель может снизить скорость и разгоняться, используя только педаль акселератора. Это создается ощущение «одной педали». При таком режиме производительности рекуперации необходимость в использовании педали тормоза отпадает.

Колесные тормозные механизмы подключаются, когда требуется степень замедления 0,3 g и водитель использует педаль тормоза. Благодаря электрогидравлической системе управления торможением колесные тормозные механизмы подключаются мгновенно.Бренд Audi первым в мире автопроизводителем, который использовал такую ​​концепцию в серийной модели электромобиля. Гидравлический поршень в компактном тормозном модуле генерирует достаточное давление, чтобы дополнительную мощность при рекуперативном торможении. Срабатывает система экстренного торможения, начало торможения и начало тормозного давления проходит всего 150 миллисекунд. Благодаря такому быстрому росту давления тормозной путь сокращается на до 20% по сравнению с тормозным путем при работе тормозных систем.

В зависимости от ситуации на дороге интегрированная электрогидравлическая система управления торможением принимает решение и включает электронное управление для каждой отдельной оси, определяя способ замедления прототипа Audi e-tron: с помощью электродвигателя, с помощью колесных тормозных механизмов или комбинируя оба варианта. Педаль тормоза напрямую не связана с гидравлическим контуром рабочей тормозной системы. Переход от торможения электродвигателя к торможению с помощью гидравлической тормозной системы происходит плавно, что водитель даже не замечает этого.Такая система позволяет электрическому кроссоверу максимально эффективно использовать потенциал рекуперативного торможения поддержки ассистента эффективности движения. Для определения дорожной ситуации и прогнозирования система использует радарные датчики, изображения с видеокамер, данные системы навигации и информацию о поведении автомобиля с другими объектами (car-to-X). Необходимая информация дублируется на приборной панели Audi virtual cockpit, рекомендую водителю в нужный момент убрать ногу с педали акселератора.Взаимодействуя с опционной системой адаптивного круиз-контроля, ассистент эффективности движения может заранее замедлять или разгонять электрический кроссовер.

Совершенствование процесса рекуперации энергии гибридного автомобиля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС77 — 48211.Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408

электронный научно-технический журнал

Совершенствование процесса рекуперации энергии гибридного

автомобиля

# 07, июль 2013

Б01: 10.7463 / 0713.0588384

Бахмутов С. В., Филонов А. И., Баулина Е. Е.

УДК 629.113

Россия, ГНЦ ФГУП «НАМИ» Россия, Университет машиностроения (МАМИ)

б. Ьаккши1; оу @ паш1. ги [email protected] [email protected]

Введение

Рекуперацией называется процесс возвращения части энергии для повторного использования в том же технологическом процессе.Этот процесс возможен на автомобилех с комбинированной энергетической установкой (КЭУ). Использование КЭУ позволяет повлиять на состояние накопителя энергии, т.к. в нем возможна регенерация энергии во время движения автомобиля.

Существует несколько путей для рекуперации на борту автомобиля с комбинированной энергетической установкой. При наличии внутреннего сгорания, имеющего недостаттком мощности для движения, этот избыток можно возвращать в батарею.Избыток энергии может образоваться при движении автомобиля на постоянной скорости и даже при ускорении автомобиля. Еще один резерв для пополнения запаса энергии — это рекуперативное торможение. Именно процесс создания энергии при помощи торможения отрицательного баланса.

Для удобства использования данного исследования будем использовать термин «бортовая система рекуперации энергии» как неотъемлемую часть комбинированной энергетической установки гибридного автомобиля.Одной из основных задач при разработке систем рекуперации является правильный выбор накопителя энергии, который позволит системе рекуперации создать высокие замедления при торможении, воспринимая большие мощности при создании значительного тормозного момента, что

автомобилю на некоторых режимах замедления только при помощи рекуперативного торможения.

1 Анализ основных проблем при создании системы рекуперации

Основными задачами при разработке систем рекуперации являются следующие:

— правильный выбор накопителя энергии;

— разработка эффективной алгоритма работы КЭУ;

— определение наилучших параметров агрегатов КЭУ для увеличения времени использования эффективности использования торможения с достаточной эффективностью без вовлечения в работу фрикционных тормозов.Высокие замедления при торможении способ обеспечения системы рекуперации, воспринимающая большая мощность, следовательно, создает значительный тормозной момент, что позволяет автомобилю на некоторых режимах замедления только при помощи рекуперативного торможения.

— выбор рациональной схемы с минимальными потерями при преобразовании энергии из одного вида в другой передаче от источника к источнику. КПД преобразований зависит от схемы примененной КЭУ.Выбранная схема оказывает заметное влияние на эффективность процесса рекуперации.

В универсальной рекуперации машиностроения работы надператорами энергии ведутся на протяжении ряда лет. Например, результаты исследований маховичных рекуператоров показали, что это техническое решение позволяет улучшить топливную экономичность малого автобуса почти на 30% [1].

Применение маховичных накопителей исключает преобразование энергии из одного вида в другой, что повышает КПД процесса рекуперации.Эти накопители обладают большой удельной мощностью. Такие недостатки механических рекуператоров, как большие размеры, необходимость применения бесступенчатой ​​передачи, высокие требования к безопасности и необходимости учета аэродинамических эффектов из-за высокой скорости вращения маховика ограничивают возможности их применения в системах рекуперации массовых автомобилей.

В настоящий момент в рамках научно-образовательного центра «Автомобили с комбинированными энергетическими установками» Университета машиностроения ведутся работы над накопителями электрической энергии — аккумуляторными батареями.Комбинированная энергетическая установка с данными накопителями используется на автомобиле «МАМИ-КВАНТ», созданным сотрудниками центра (в соответствии с рисунком 1) [2].

Рисунок 1 — Автомобиль «МАМИ-КВАНТ»

В таблице 1 дана модели используемого автомобиля накопителя энергии. Таблица 1 — Характеристики накопителя энергии

Марка и модель аккумулятора Optima YellowTop

Напряжение, В 120

Аккумуляторная батарея (тип) свинцово-кислотная

Количество аккумуляторов 10

Масса общая, кг 190

Макс.емкость (при 3-х часовом разряде), Ач 55

На рисунке 2 можно видеть расположение батареи на борту автомобиля.

Рисунок 2 — Аккумуляторные батареи

При использовании в системе рекуперации автомобилей с КЭУ накопителей электрической энергии ряд проблем, обусловленных внутренними свойствами этих накопителей. Например, при высоком уровне заряда аккумуляторной батареи эффективность процесса подзарядки резко снижается.

Кроме того, невозможно заряжать батарею при низких скоростях движения автомобиля из-за того, что при малой частоте вращения якоря электромашины, работает в режиме генератора, на возбуждение ее обмотки тратится больше энергии, чем возвращается в батарею. Данные ограничения воздействия на тормозного момента, создаваемого генератором.

Тип батарей также накладывает ряд ограничений на процесс рекуперации.В нашем случае во избежание негативных эффектов, связанных с разрушением батареи, током при ее зарядке не может быть больше порогового значения. Это повлекло за собой уменьшение мощности рекуперации. Кроме этого, батарея имеет ограничение напряжения на терминальных выводах, превышение которого может привести к ее разрушению (в нашем случае ограничение составило 156 В).

В связи с вышесказанным необходимо тщательно подходить к выбору типа накопителя электрической энергии.В настоящее время в системе рекуперации гибридных автомобилей используются более перспективные никель-металлогидридные и литий-ионные аккумуляторы, а также в будущем возможно применение суперконденсаторов и комбинации «суперкондесатор-батарея».

2 Принципы выбора накопителя энергии

Выбор аккумуляторной батареи базируется на анализе и сравнении свойств и показателей аккумуляторов различных типов.Во-первых, при проектировании комбинированной энергетической установки необходимо удельные характеристики накопителей, такие как удельная энергия [Вт * ч / кг] и удельная мощность [Вт / кг]. Для свинцово-кислотных аккумуляторов, условий на экспериментальном автомобиле «МАМИ-КВАНТ» абсолютные значения данных сравнительно невелики, но их зависимость от друга удовлетворительна — при увеличении удельной мощности, например, в режиме зарядки, что требуется для обеспечения необходимой реку мощности, удельная энергия, т.е. способность запасать полученное количество энергии, отнесенное к единице массы батареи, уменьшается незначительно. Для никель-металлогидридных источников мощности зависимость оптимальна — увеличении удельной мощности в пределах определенной энергии почти не зависит. Это выгодно отличает аккумуляторы от литий-ионных, у которых удельная энергия может уменьшиться в несколько раз при незначительном увеличении удельной мощности. Аккумулятор в батарее намного меньше, чем свинцово-кислотного и никель-металлогидридного.В итоге масса батареи может быть одинаковой у всех трех типов аккумуляторов, а удельная мощность заметно отличаться.

Данный факт указывает на то, что при выборе накопителя необходимо анализировать и другие показатели батарей, такие как: масса, стоимость, освоенность в производстве, приспособленность к конкретным условиям эксплуатации, жизненного цикла и т.д. При разработке комбинированной энергетической установки для автомобиля «МАМИ-КВАНТ» был сделан с использованием свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, потому что по стоимости, приспособленности к эксплуатации при низких температурах и освоенности в производстве данные батареи заметно отличаются в лучшую сторону выбор от других типов, а именно эти показатели, при допустимых ограничениях по удельной мощности и энергии, были определяющими в проекте.Благодаря неограниченному цикловому замку заряда-разряда и широкому температурному диапазону работы суперконденсаторы представляются перспективным источником энергии, но в настоящий момент их низкие удельные энергетические характеристики автомобиля и высокая стоимость позволяют говорить о возможности их широкого применения в тяговых нах с КЭУ .

Упомянутые выше комбинации с маховиками и суперконденсаторами также являются перспективными.Такое решение позволяет избежать ограничений по мощности зарядки, накладываемое на батареей, так как в этом случае именно суперконденсатор воспринимает большую мощность и сразу передают ее в батарею, которая используется для хранения возвращенной энергии. В этом случае при подзарядке исключена возможность ее разрушения.

3 Проведение экспериментальных исследований

Для проведения экспериментальных исследований необходимо определить алгоритм работы автомобиля с КЭУ.Для исключения работы ДВС на режимах повышенной токсичности и высоких удельных расходов топлива автомобиль с КЭУ должен трогаться и разгоняться до определенной скорости в электрорежиме.

Далее необходимо определить до какой скорости автомобиль должен разгоняться в электрорежиме, какая передача должна быть включена в коробке передач в дальнейшем, на каком двигателе — электрическом или ДВС — осуществлять равномерное движение, сколько времени должно работать ДВС в цикле, чтобы обеспечить полную зарядку накопителей к конец цикла.При этом автомобиль должен обладать необходимой динамикой разгона с целью исключения торможения транспортного потока, чтобы иметь ускорение при разгоне на электротяге порядка 1 м / с2. Так как электродвигатель требуются ускорения в достаточно узком диапазоне скоростей автомобиля, чтобы достичь определенного ускорения в работе ДВС, работающего в режиме минимальных удельных расходов топлива. В случае избытка мощности ДВС разница между мощностью направляется электромой для движения и мощностью, которая обеспечивает ДВС, работает в режиме генератора.Если мощность ДВС не достаточно, включается тяговый электродвигатель. При торможении происходит рекуперация энергии, батареи заряжаются.

Кроме того, за время городского цикла необходимо обеспечить баланс энергий-энергии, затрачиваемая на разгон и равномерное движение автомобиля в цикле, должна быть компенсирована энергией, рекуперируемой в процессе замедления и вырабатываемой двигателем сгорания в течение дополнительного времени работы в цикле.Для обеспечения экономии топлива двигатель внутреннего сгорания должен работать в любом режиме по характеристике минимальных удельных расходов.

Далее требуется определить количество энергии, затраченной электродвигателем из накопителя при разгоне, и энергию, направленную в накопитель от ДВС. Для этого

для каждого интервала «разгон-равномерное движение-торможение» цикла получить и построить график баланса мощностей при движении автомобиля в городском цикле.

Т7. ~ Vа

% 1 3,6

где Ga — полный вес автомобиля, g — ускорение свободного падения, ja — ускорение автомобиля, 5] — коэффициент учета инерции вращающихся масс автомобиля, Уа — среднее значение скорости автомобиля в выбранном интервале времени, км / ч.

Средняя мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению на участке Д ^

М / = Оа- / о + 440-5 ВА) • ^

где ^ — номинальное значение коэффициента сопротивления качению.

Ме = + +.

При переключении передачи мощность затрачивается только на преодоление сил сопротивления качению и воздуха, при этом N1 = 0.

Мощность двигателя при равномерном движении затрачивается на преодоление сопротивления воздуха и сопротивление качению.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению на участке равномерного движения:

-5 тл2 \ Гр.где Vр.д. — скорость равномерного движения в городском цикле.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха на участке равномерного движения:

г В

= Гх Р р рд-

2 ‘3.63’

Мощность, затрачиваемая на преодоление суммарного сопротивления на участке равномерного движения:

ЯМ2 = М / +.

На этапе замедления происходит рекуперация энергии автомобиля. Мгновенное значение мощности при рекуперации представляет собой разницу мощности, затрачиваемую на преодоление сил инерции и мощность, затрачиваемую на преодоление дорожного сопротивления:

Нрек = NJ — (К / +).

Интегрирование мощностей позволяет определить в фазе замедления и равномерного движения энергии, рекуперируемую в фазе замедления.рек Х

Так как накопленная энергия меньше затраченной на фазе разгона, то равномерное движение только на электродвигателе невозможно. Для зарядки накопителя дополнительного времени работы ДВС при равномерном движении.

Для определения времени работы ДВС и электродвигателя при движении в цикле

требуется составить баланс энергий в каждом интервале «разгон-равномерное движение-

торможение »цикла: энергия, затрачиваемая на разгон и равномерное движение в цикле

должна быть равна сумме энергии, накопленной в процессе замедления и вырабатываемой

ДВС при разгоне и равномерном движении.доп. ■>

где Араз. — энергия, затраченная электродвигатель на фазе разгона в городском цикле, Ар.д. — энергия затрачиваемого электродвигателя на фазе равномерного движения при в электрорежиме, Анак. — энергия, накопленная в процессе замедления, АнакДВС -энергия, вырабатываемая ДВС при разгоне, Адоп. — энергия, направляемая в накопитель при равномерном движении.

Для прохождения заданного городского цикла с использованием средств вычислительной математики был составлен алгоритм работы КЭУ, позволяющий завершить к энергетическому балансу в конце цикла (в соответствии с рисунком 3).

60 -1-1-1-1-1-1-1-1-г

-40

0 20 40 60 80100120140160180200

т. сек

Рисунок 3 — Распределение мощности при движении в цикле ECE-15

Первый участок — автомобиль движется в электрорежиме.

Второй участок — автомобиль разгоняется в электрорежиме. При достижении заданной скорости 32 км / ч в работу вступает ДВС, при этом в коробке передач включена 3 передача. Из-за избытка мощности ДВС разница между потребляемой мощностью и мощностью, которую обеспечивает ДВС, устанавливается в накопитель энергии через электромашину. Через 10 секунд ДВС выключается и движение продолжается в электрорежиме.

Третий участок — автомобиль разгоняется в электрорежиме.При достижении заданной скорости 35 км / ч в работу вступает ДВС. В течение следующих 15 секунд работы ДВС избыточная мощность так же через электромашину направляется в накопитель. Оставшуюся часть цикла автомобиль проходит в электрорежиме.

Сотрудниками научно-образовательного центра были проведены стендовые и дорожные испытания автомобиля с комбинированной энергетической установкой. В ходе испытаний выполнена оценка эффективности работы системы рекуперации энергии торможения и ее влияния на топливную экономичность автомобиля с КЭУ.Так как автомобиль имеет возможность накапливать энергию только во время торможения, а также в режиме разгона и равномерного движения, это также было учтено при расчете расхода топлива [3].

Испытания проводились в соответствии с Правилами № 83 по европейскому городскому циклу ECE-15.

4 Анализ результатов экспериментальных исследований

Результаты испытаний показали, что применение комбинированной энергетической установки улучшает топливную экономичность и экологичность автомобиля.С учетом норм Правил № 101 ЕЭК ООН для автомобилей с КЭУ эквивалентный расход топлива составил 12,4 л / 100 км. Экономия топлива при компенсации дисбаланса энергии получена за счет выключения ДВС при замедлении, остановках и в начальной фазе разгона автомобиля. Кроме этого, экономия обеспечивается рекуперацией энергии. Этот процесс иллюстрируется таблицей 4:

Таблица 4 — Экономия топлива с учетом рекуперации

Рекуперация при торможении Подзарядка батареи при равномерном движении Подзарядка батареи во разгона

Снижение расхода топлива, л / 100 км 0.6 1,71 0,28

Возвращаемая энергия, кДж 55,61 156,91 25,74

Доля возвращенной энергии 23 66 11

Таблица 4 демонстрирует возможности рекуперации на автомобиле «МАМИ-КВАНТ». На большую долю внутренней возвращенной энергии дает рекуперацию при равномерном движении автомобиля в цикле, когда двигатель сгорания работает по характеристикам минимальных удельных расходов топлива, а значит, с почти полностью открытой дроссельной заслонкой, а избыток энергии направляется в накопитель.Также небольшой вкладит и подзарядка батареи при разгоне автомобиля в цикле, когда также образуется небольшой избыток энергии при работе ДВС по характеристикам минимальных удельных расходов топлива. Рекуперация при торможении возвращает в батарею 23% энергии. Но общая эффективность рекуперативного торможения невелика. Данный факт показанет таблицей 5.

Таблица 5 — Эффективность процесса рекуперации

Свободная кинетическая энергия при торможении, кДж 457.16

Энергия, возвращенная в накопитель при торможении, кДж 55.61

Эффективность,% 12

Как можно видеть из таблицы 5, при торможении запасается лишь 12% от всей кинетической энергии, которую теоретически можно было бы вернуть в накопитель во время замедления. Это произошло из-за того, что процесс восстановления невозможен при низких скоростях движения и по причине ограничения тока (а значит и мощности) зарядки во время предотвращения разрушения свинцово-кислотных батарей, устройств на автомобиле.

5 Рекомендации по выбору накопителя энергии

На основе анализа представленных на рынке гибридных автомобилей и аккумуляторов созданы требования к «идеальному» аккумулятору, применение которого предлагает стандартные проблемы и простимулирующие автопроизводителей к широкому внедрению КЭУ на автомобилях. Основными требованиями, которым должен удовлетворять аккумулятор, в том числе с учетом отечественных условий, являются:

— Цена за кВт * ч должна быть ниже 500 $;

— Диапазон рабочих температур: -50… +80 ° С;

— Число циклов заряд-разряд: более 2000;

— Способность к микроциклированию;

— Удельные характеристики:

— Удельная энергия более 300 Вт * ч / кг,

— Удельная мощность выше 500 Вт / кг;

— Способность воспринимать перегрузки свыше 20С;

— Пожаро- и взрывобезопасность;

— Экологичность в полном жизненном цикле.

С учетом сделанных выводов в настоящее время ведется работа по созданию модернизированной системы накопления энергии на базе современных литий-ионных аккумуляторов энергии. В основе блока накопителя лежат аккумуляторные ячейки фирмы Thunder Sky, приведенные на рисунке 4. Параметры ячеек приведенные в таблице 6. Указанные ячейки объединены в модули. Каждый имеет систему контроля текущего состояния по уровню заряда и температуры, а также имеет систему контроля заряда аккумуляторов в модуле.Накопитель необходимой емкости и набирается

из указанных модулей, оснащается системой поддержания рабочей температуры в узком режиме и устанавливается на автомобиль. Форму накопителя можно менять в зависимости от компоновочных различных базового автомобиля.

Рисунок 4 — Общий вид аккумулятора энергии

Таблица 6 — Характеристика аккумулятора энергии

Показатель Значение

Номинальная емкость, А * ч 40

Напряжение разряда, В 2,8

Напряжение заряда, В 4,0

Максимальный зарядный ток 3С

Максимальный разрядный ток (постоянный) 3С

Максимальный разрядный ток (импульсный) 20С

Номинальный зарядный / разрядный ток 0,5С

Количество циклов при 80% разряде Более 3000

Количество циклов при 70% разряде Более 5000

Температура корпуса, 0С Не более 200

Рабочая температура, 0С -45… 85

Саморазряд Не более 3% в месяц

Масса, кг 1,6

Одним из преимуществ использования аккумуляторов является возможность в ближайшей перспективе организации их массового на территории России, что приведет к снижению их цены и доступности компонентной базы для КЭУ.

Заключение

Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что использование рекуперации положительно влияет на топливную экономичность и экологичность автомобиля, однако ее на автомобиле «МАМИ-КВАНТ», относительно невысока.Во многом из-за свойств бортового накопителя энергии. Поэтому для улучшения параметров рекуперации необходимо провести ряд усовершенствований, а именно:

— применить накопители энергии с высокими удельными мощностными и энергетическими показателями;

— применить комбинированную систему накопления энергии, состоящую из высокомощных конденсаторов и тяговых батарей (в перспективе).

Список литературы

1. Фиронов А.М. Повышение топливной экономичности городского автобуса путем применения рекуператора энергии торможения: дис. … канд. техн. наук. М., 1987. 188 с.

2. Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Филонов А.И. Работы МГТУ «МАМИ» в области автомобилей с гибридными силовыми установками // Транспорт на альтернативном топливе.2011. № 2 (20). С. 17-21.

3. Конструктивные схемы автомобилей с гибридными силовыми установками / С.В. Бахмутов, А.Л. Карунин, А.В. Круташов, В.В. Ломакин, В.В. Селифонов, К.Е. Карпухин, Е Е. Баулина, Ю.В. Урюков. М .: МГТУ «МАМИ», 2007. 72 с.

НАУЧНЫЙ ПЕРИОД РАЙДЖМАНА МС ТУ

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ

ЭЛ № ФС77 — 48211.№0421200025. ISSN 1994-040S

электронный научно-технический журнал

Улучшение рекуперации для гибридного автомобиля

# 07, июль 2013 г.

DOI: 10.7463 / 0713.0588384

Бахмутов С.В., Филонов А.И., Баулина Е.E.

Россия, ФГУП «Центральный научно-исследовательский автомобиль и двигатель

»

Институт »

Россия, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) Механический университет

Engineering s. бахмутов @ нами. ru [email protected] baulina @ mami.ru

В статье анализируются различные системы рекуперации энергии гибридных автомобилей. Сделаны выводы о неадекватности существующих технических решений. В статье также описаны принципы выбора устройства рекуперации энергии, отвечающего требованиям к уровню производительности гибридного автомобиля. Авторы описывают конструкцию экспериментального автомобиля с гибридным силовым агрегатом. Также был разработан алгоритм работы транспортного средства с гибридной трансмиссией при движении в городском цикле с учетом баланса мощности в приводе.Результаты экспериментальных исследований транспортного средства подтвердили наличие ограничений, связанных с установленным накопителем энергии и электрическими компонентами. Кроме того, были указаны требования к «идеальному» аккумулятору.

Публикации с ключевыми словами: энергоэффективность, автомобиль, гибрид, рекуперация Публикации со словами: энергоэффективность, автомобиль, гибрид, рекуперация

Список литературы

1.Фиронов А.М. Повышение топливной экономики городского автобусапутем применения рекуператора энергии торможения. Канд. дисс. [Повышение топливной экономичности городского автобуса за счет использования рекуператора энергии торможения. Кандидат дисс.]. М., 1987. 188 с.

2. Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Филонов А.И. Работы МГТУ «МАМИ» в области автомобилей с гибридными силовыми установками.Транспорт на альтернативном топливе, 2011, №1. 2 (20), стр. 17-21.

3. Бахмутов С.В., Карунин А.Л., Круташов А.В., Ломакин В.В., Селифонов В.В., Карпухин К.Е., Баулина Е.Е., Урюков Ю.В. Конструктивные схемы автомобилей с гибридными силовыми установками. М .: МГТУ «МАМИ», 2007. 72 с.

Рекуперация — тормозите на здоровье!

Главная » Рекуперация — тормозите на здоровье!

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

Одной из интеллектуальных систем технологий BMW EfficientDynamics является системой рекуперации энергии торможения. Позволяя заряжать аккумулятор, когда автомобиль тормозит, замедляет ход или движется по инерции, снижает систему 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 современных автомобилях устанавливается огромное количество различных электроники, использование которых необходимо для комфорта и 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 автомобиле BMW используется система рекуперации энергии торможения (Регенерация энергии торможения) — уникальная технология производства, которая на обычных автомобилях при работе тормозов тратится впустую. Эта технология BMW позволяет не только сохранить выработанную энергию, но и затем использовать ее. Принцип регенерации энергии торможения на всех моделях BMW с бензиновыми и дизельными двигателями, а также гибридными силовыми агрегатами, которые используются 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, все колеса при педали газа генератор отключается, что позволяет направить весь крутящий момент двигателя на ведущий, то есть ускориться, используя мощность автомобиля.

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 отслеживает постоянно уровень заряда аккумулятора и при необходимости продолжить зарядку даже во время ускорения.

Возьмем в качестве примера гибридного автомобиля BMW ActiveHybrid X6, который, как и другие современные модели BMW, оснащен 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, вырабатывая 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 функцию функции генератора при рекуперации энергии торможения. При движении накатом или торможении электроэнергия вырабатывается и сохраняется. При ускорении энергии двигателя в бортовую сеть, тем самым освобождая двигатель внутреннего сгорания задачи преобразования энергии топлива в электрический ток.Благодаря этому двигатель может тратить больше мощности на ускорение, электроэнергия генерируется без дополнительного потребления топлива при торможении.

источник www.vedomosti.ru

Некоторые особенности системы рекуперативного торможения

Одним из преимуществ гибридных и электромобилей (HEV) является их способность рекуперировать энергию торможения благодаря наличию системы рекуперативного торможения. В этой статье мы объясним, как работает эта энергосберегающая система.А также затронем особенности ее технического обслуживания.

Что представляет собой система рекуперативного торможения?

Из школьного курса физики мы знаем, что способность создать или уничтожить — ее можно только преобразовать из одной формы в другую. На этом же принципе основана работа тормозной системы. Чтобы машина остановилась, кинетическая энергия, накопленная во время движения, должна куда-то уйти. В обычной гидравлической тормозной системе для преобразования кинетической энергии автомобиля в тепло используется сила трения, развивающая между тормозной колодкой и диском или барабаном.Затем тепло используется в атмосфере, и машина замедляет ход.

В гибридных и электромобилях с системой рекуперативного торможения эта энергия используется эффективнее. Вместо этого, чтобы рассеивать ее в воздухе в виде тепла, автомобиль сохраняет ее в электрическую энергию, которая сохраняется в его аккумуляторе. Помогая затормозить автомобиль сохраненная энергия обеспечивает электричество для будущей работы электродвигателя, повышая его.

Как работает система рекуперативного торможения?

Приводя в движение автомобиль с системой рекуперативного торможения электродвигатель силы от аккумулятора, создавая кинетическую энергию, специальную для колес.Однако, когда включается тормоз, этот процесс работает в обратном режиме. Теперь кинетическая энергия, которая изначально использовалась для приведения автомобиля в движение, заставляет колеса вращать электродвигатель, превращая его в подобие генератора. Вместо потребления электричества двигатель / генератор выполняет его, используя кинетическую энергию автомобиля. Эта электрическая энергия сохраняется в высоковольтной батарее и повторно используется для обеспечения движения автомобиля.Система рекуперативного торможения преобразует кинетическую энергию автомобиля в электричество, она может замедлять его так же, как силу делает гидравлический тормоз, используя трения.

Оснащаются ли электромобили гидравлической тормозной системой?

В большинстве случаев электродвигатель / генератор обеспечивает достаточное тормозное усилие для замедления автомобиля. Его батарея полностью заряжена, слишком нагрелась или охлаждение, электродвигатель не может самостоятельно обеспечить достаточное тормозное усилие и нуждается в поддержке гидравлической тормозной системы.Степень необходимости ее использования во многом будет зависеть от автомобиля. Например, на автомобиль Toyota Prius раннего поколения (2001-2004 гг.) Гидравлические тормоза не использовались до тех пор, пока скорость автомобиля не опускалась ниже одиннадцати километров в час, за исключением случаев экстренного торможения

Что это означает для обслуживания тормозной системы?

гидравлические тормоза — это, по сути, резервная система, они используются реже и теоретически служить дольше.Однако реальная ситуация может быть совсем другой — в связи с менее активным использованием гидравлических тормозов в них может накапливаться ржавчина и загрязняющие вещества, которые влияют на фрикционную поверхность диска и крепления тормозных колодок, так и на поршень / направляющие штифты суппорта .. Вот почему основные компоненты тормозной системы все еще изнашиваются, только это обусловлено другими причинами.

Возьмем для примера держатель суппорта. Из-за коррозии, вызванной недостаточным использованием тормозов, тормозные колодки не приводят к их ускоренному и неравномерному износу.Или же, в зависимости от мест возникновения коррозии, колодки неплотно прилегать к диску. В результате какая-либо коррозия на фрикционной поверхности диска не будет полностью счищаться, что также приведет к появлению раковин на тормозном диске.

Конечно, условия эксплуатации и такие факторы окружающей среды, как вода, солевые брызги и изменения температуры, могут вызвать износ компонентов системы, как и на любом другом автомобиле. Таким образом, рекомендуется проводить регулярную проверку технического состояния тормозной системы, будь то автомобиль с гибридным приводом, электрическим двигателем или двигателем внутреннего сгорания.Просто не забывайте меры предосторожности, изложенные в рекомендациях, составленном автопроизводителем.

Рекуперация энергии торможения | EZ AUTO

Используйте каждый ватт: заряжая аккумулятор только при торможении, движении по инерции или замедлении хода, система регенерации энергии снижает расход топлива почти на 3%, используя всю мощность двигателя для разгона автомобиля.

Современным автомобилям требуется намного больше электроэнергии, чем их предшественникам, за счет большего числа электрических и электронных систем, обеспечивающих удобство и безопасность.Питающую их электрическую энергию вырабатывает генератор (переменного тока), преобразующий крутящий момент двигателя в электрическую энергию. В классических системах генератор постоянно связан приводным ремнем с двигателем.
Система рекуперации энергии при торможении в BMW работает по-другому: генератор включается только когда водитель снимает ногу с педали газа или нажимает педаль тормоза. Кинетическая энергия, которая раньше вырабатывалась впустую, теперь эффективно используется, преобразуясь генератором в электричество и накапливаясь в аккумуляторной батарее.
Выработка электричества таким высокоэффективным способом дает дополнительное преимущество: при нажатии на педаль газа генератор отключается, поэтому весь крутящий момент двигателя можно направить на колеса. Таким образом, рекуперация энергии торможения снижает расход топлива и повышает динамику автомобиля. Система также отслеживает уровень заряда аккумуляторной батареи и при необходимости может продолжить зарядку даже во время ускорения, чтобы не дать батарее разрядиться полностью.

В еще большей мере высвобожденная кинетическая энергия задействуется в автомобиле с электрическими двигателями, например, в моделях BMW ActiveHybrid или же BMW ActiveE с полностью электрической системой привода. В этом случае двигатель играет роль генератора и вырабатывает электричество, когда водитель снимает ногу с педали газа. За счет применения этого принципа прироста хода BMW ActiveE может составлять до 20 процентов.

У Bosch готова система рекуперации для авто с ДВС

Систему оборудования для кратковременного ускорения автомобиля назвали BRS — Boost Recuicing System.Комплект состоит из тяговой аккумуляторной батареи напряжением 48 вольт, электронного блока-преобразователя и приводимого ремнем электрогенератора. Последний монтируется на место стандартного генератора и внешне, чем отличается от него. Поликлиновый ремень через соответствующие шкивы соединяет этот мотор-генератор с коленвалом ДВС автомобиля.

Работает система следующим образом.Во время движения автомобиля накатом или во время притормаживания мотор-генератор работает в генерирующем режиме, рекуперируя энергию выбега автомобиля: выработанные им киловатты заряжают небольшую литий-ионную батарею. Когда водитель нажимает акселератор, желая разогнаться, BRS переводит мотор-генератор в тяговый режим (отдаваемая мощность 10 кВт) — через тот же ремень он передает крутящий момент на коленвал двигателя, помогая ему разгонять автомобиль. Тест-драйв оснащенного BRS Volkswagen Passat на полигоне компании Bosch в Боксберге показал, что помощь электромотора при разгоне весьма ощутима, особенно в первый момент времени после утапливания акселератора в пол.Предоставленная для журналистских тестов машина при активации BRS ускоряется примерно в 1,5 раза энергичнее, чем при отключенной BRS.

При условии полностью заряженной батареи BRS сможет помочь бензиновому мотору разгонять автомобиль до 10-12 раз подряд. В свою очередь, до 100% заряжается батарея также после 10 — 12 замедлений. Естественно, приведенные цифры ориентировочные — и демонстрируют Bosch. Особо отмечают это — многое зависит от того, сколько времени водитель держит акселератор в режиме «в пол», и с другой стороны, каковы по характеру и длительности были замедления.Помимо этого, система BRS экономит топливо (порядка 15%) и сокращает выбросы двуокиси углерода. Интересно, что электрический мотор-генератор системы BRS помимо прочего служит стартером — он запускает ДВС, когда останавливался в результате срабатывания системы экономии топлива Start-Stop.

Запуск бензинового мотора от электрического мотор-генератора получается более комфортным — плавным, без неприятного акустического сопровождения от редуктора и бендикса
Несколько технических нюансов касательно работы BRS.Тяговая аккумуляторная батарея и генератор имеют рабочее напряжение 48 вольт. Это более эффективно для высоких токов потребления, нежели традиционных для легковушек 12 вольт. Однако, вся остальная бортовая сеть машины остается 12-вольтной, и для того, чтобы согласовать ее с мотор-генератором (другим генератором на борту нет), создан преобразователь. Распределение выработки моторного генератора между тяговой 48-вольтной сетью и традиционной «сервисной» 12-вольтной. Одну из ведущих ролей в работе BRS играет также встроенный в мотор-генератор электронный блок, который определяет момент, когда мотор-генератору работает в режиме генератора, когда — в режиме двигателя, перераспределяя соответственно потоки энергии.

Представители компании Bosch сообщили, что на серийных автомобилях система BRS (Boost Recuperation System) будет правил после 2016 г.

Интересно, что год назад журналист «Автоцентра» имел возможность протестировать опытный образец Audi А6 с подобной системой, которая действовала с аналогичной эффективностью.