что такое рекуперативный тормоз
Рекуперативное торможение
Рекуперати́вное торможе́ние — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.
Рекуперативное торможение широко применяется на электровозах, электропоездах, современных трамваях и троллейбусах, где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия передаётся через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции.
Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов. Некоторые контроллеры двигателей электровелосипедов реализуют рекуперативное торможение.
Проводились также эксперименты по организации рекуперативного торможения других принципов на автомобилях; для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы (англ.), гидроаккумуляторы и другие устройства. [1]
Содержание
Использование в автомобилестроении
Использование на легковых и грузовых автомобилях
С развитием рынка гибридных и электроавтомобилей система рекуперации зачастую используется для увеличения дальности пробега автомобиля на электрическом заряде. Наиболее распостраненными автомобилями этих классов является Toyota Prius, Chevrolet Volt.
Есть отдельные случаи применения системы рекууперации для автомобилем с привычным бензиновым двигателем для сокращения расхода топлива. Такая система разрабатывалась на а/м Ferrari для обеспечения функционирования внутренних мультимедийных и климатических систем автомобиля от одельной батареи, заряжаемой рекуперируемой энергией.
Использование в автоспорте
В сезоне 2009 года в «Формуле-1» на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области гибридных автомобилей и дальнейшие совершенствования данной системы.
Впрочем, у «Формулы-1» с её мощным двигателем разгон на малых скоростях ограничивается сцеплением шин, а не крутящим моментом. На высоких же скоростях использование KERS не столь эффективно. Так что, по результатам сезона-2009, оснащённые данной системой болиды не демонстрируют превосходства над соперниками на большинстве трасс. Однако, это может объясняться не столько неэффективностью системы, сколько трудностью её применения в условиях строгих ограничений на вес машины, действовавших в 2009 году в Формуле-1. После соглашения команд не использовать KERS в 2010 году для сокращения издержек, в сезоне 2011 года использование системы рекуперации было продолжено.
По состоянию на 2012 год, на систему KERS налагаются следующие ограничения [2] : передаваемая мощность не более 60 кВт (около 80 л.с.), ёмкость хранилища не более 400 кДж. Это означает, что 80 л.с. можно использовать не более 6.67 с на круг за один или несколько раз. Таким образом, время круга можно уменьшить на 0.1-0.4 с.
Техническим регламентом «Формулы-1», утвержденным FIA на 2014 год предусмотрен переход на более эффективные турбомоторы, в которые будет неотъемлемо встроена система рекуперации.
Использование на железных дорогах
Рекуперативным торможением на железнодорожном транспорте (в частности, на электровозах, оборудованных системой рекуперативного торможения) называется процесс преобразования кинетической энергии движения поезда в электрическую энергию тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими в режиме генераторов. Выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть (в отличие от реостатного торможения, при котором выработанная электрическая энергия гасится на тормозных резисторах, то есть преобразовывается в тепло и рассеивается системой охлаждения). Рекуперативное торможение используется для подтормаживания состава в случаях, когда поезд идет по относительно не крутому уклону вниз и использование воздушного тормоза нерационально. То есть, рекуперативное торможение используется для поддержания заданной скорости при движении поезда по спуску. Данный вид торможения дает ощутимую экономию энергии, так как выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть и может быть использована другими локомотивами на данном участке контактной сети.
На Токе заряженный портал
Что такое рекуперация торможения в электромобиле? — На токе
Что такое рекуперация торможения в электромобиле?
Я думаю, что никакой человек в здравом уме не будет спорить с тем фактом, что тормоза на любом средстве передвижения играют одну из ключевых ролей. В принципе, без них просто-напросто нельзя обойтись! Однако мало кто из таких мыслителей задумывался над тем, что от торможения можно ещё и энергетическую прибавку получать. При соприкосновении (трении) рабочих деталей тормозного механизма выделяется много тепла, вылетающего «в трубу». А ведь эту энергию можно направить в более рациональное русло: аккумулировать её для повторного применения.
К счастью — это реально, а называется данный процесс — рекуперация (частичный возврат энергии). Система не является новинкой и уже довольно длительное время устанавливается на электрокары и гибридные автомобили, но многие обладатели подобной техники слабо разбираются в технических деталях своего приобретения. В этой теме, я хочу подробно обсудить процесс рекуперации, дабы доказать, что она является гениальной разработкой конструкторов, приносящей несомненную пользу автовладельцам.
Содержание:
Что такое рекуперация?
Виды систем рекуперации.
Рекуперация на электрокарах и гибридных модификациях (принцип работы).
Преимущества электрической рекуперации.
Недостатки электрической рекуперации.
Насколько реально эффективна рекуперация?
Нужна ли рекуперация лёгкому индивидуальному электротранспорту?
Использование системы рекуперации в механизме подвески.
Что такое рекуперация?
«Recuperatio» — именно от этого латинского слова произошла «рекуперация». Его значение — «обратное получение». Говоря более конкретно, это означает возвращение некоторого количества энергии или вещества, для дальнейшего применения в том же процессе. В случае со средствами передвижения, речь идёт о трансформации в процессе торможения кинетической энергии в электрическую.
Движущийся автомобиль — это кинетическая энергия, а при задействовании тормозной системы, ей нужно куда-то деваться. В машинах работа тормозных механизмов основана на трении, от которого при замедлении транспортного средства будет вырабатываться тепло. Что из этого следует? А то, что оно просто уходит в никуда — бесследно растворяется в окружающей среде.
Смекалистые инженеры пошли на хитрость: они решили пускать даровую энергию в рациональное русло и добились того, что некоторая её часть таки будет возвращена. При следующем ускорении машины, аккумулятор будет использовать энергию, сохранённую ранее от рекуперации.
Здесь важно понимать, что регенерация не является каким-то волшебством, увеличивающим пробег средства передвижения на одном заряде. Данная система не сделает ваш автомобиль более эффективным как таковым, она просто делает его менее неэффективным. Если говорить по сути, то идеальной будет такая езда, при которой вы разгонитесь до определённого постоянного скоростного режима и будете удерживать его, не прибегая по ходу движения к торможению.
Дело в том, что для замедления и последующего возвращения к прежнему темпу езды, понадобятся дополнительные энергозатраты поэтому, чтобы рассчитывать на большой запас хода, нужно полностью избегать замедлений. Очевидно, что воплотить подобную затею в жизнь — не реально. На практике, прибегать к замедлению приходится довольно часто, а рекуперация всего лишь делает процесс торможения менее бесполезным.
Виды систем рекуперации
Основных разновидностей рекуперации всего три:
Что и говорить, такая выгодная система получила весьма широкое распространение. Так, электрическая рекуперация сегодня довольно обширно применяется на легковушках: главным образом на электрических авто и авто оборудованных гибридными установками. Механические же вариации, нашли своё место исключительно на спортивных болидах. А вот «гидравлику» инженеры приспособили на крупнотоннажных коммерческих грузовиках и автобусах эксплуатируемых в городе.
Впрочем, дело не ограничивается только автомобилями, изобретение можно обнаружить и на лёгком индивидуальном электротранспорте. Это всем нам знакомые скутера, велосипеды, самокаты и даже скейтборды оборудованные электротягой. Далее в теме, мы будем более подробно разбирать именно электрическую регенерацию.
Рекуперация на электрокарах и гибридных модификациях
Для лучшего понимания сути дела, нам придётся немного углубиться в теорию. Любой электрический силовой агрегат постоянного тока, при подаче на него электроэнергии начинает функционировать как собственно двигатель. Однако, если начать механически вращать его вал, то на клеммах будет вырабатываться ток. Из этого проистекает логический вывод: электромотор способен работать как в роли двигателя, потребителя энергии, так и в роли генератора. Этим и воспользовались инженеры, которые массово начали внедрять в электрический и гибридный транспорт системы рекуперации.
Работают такие схемы по достаточно простому принципу:
При воздействии на акселератор машина набирает ход, а электромотор при этом получает энергию от накопителя и передаёт тягу на колёса машины посредством трансмиссии.
А вот когда транспортное средство начинает замедляться, электроника переводит силовой агрегат в режим генератора.
Естественно, чтобы раскрутить электродвигатель, нужно прилагать определённое усилие и именно за счёт этого противодействия автомобиль станет замедляться. Конечно, без помощи обычных тормозов не обходится.
В этот самый момент, вырабатываемая мотором, как генератором, электроэнергия, посредством специального контроллера будет подзаряжать накопитель. Таким образом, некоторую долю энергии удаётся вернуть для её последующего применения.
Нюанс
Конечно, при экстренном торможении система регенерации энергии не в состоянии мгновенно остановить транспортное средство. Поэтому здесь никак не обойтись без традиционных тормозов. Вычислительная аппаратура принимает соответствующее решение в зависимости от того, с каким усилием водитель воздействует на орган управления тормозной системой, и задействует помимо рекуперации тормоза.
Преимущества электрической рекуперации
Разработка внедрённая в полностью электрический автомобиль, позволяет увеличить дальность хода на одном заряде, а вот гибридным модификациям регенерация сулит довольно приятное сокращение расхода топлива. Да и тормозные механизмы проходят дольше, ведь часть нагрузки с них будет сниматься.
Недостатки электрической рекуперации
Самый главный недостаток системы регенерации — это её высокая себестоимость! Приобретая электромашину оснащённую такой чудодейственной системой, рассчитывайте на прибавку к ценнику в 30-50%, по сравнению с традиционными автомобилями в распоряжении которых старый добрый ДВС. Так что, если вы ездите в основном по идеальным прямым трассам, на которых торможение является скорее исключением чем правилом, вы вряд ли окупите своё высокотехнологичное и дорогостоящее приобретение в ближайшее время.
Плюс к этому, такое оснащение усложняет конструкцию транспортного средства, поэтому в случае поломки, могут возникнуть определённые сложности с ремонтом. Проблема в том, что за подобные ремонтные манёвры возьмутся не в каждом сервисе, да и мастер который будет осуществлять обслуживание, должен иметь высокую квалификацию. Поэтому перед приобретением такой совершенной конструкции, первым делом нужно решить вопрос по её дальнейшему обслуживанию и ремонту, найдя поблизости достойную мастерскую с высококвалифицированным персоналом.
Насколько реально эффективна рекуперация?
Здесь имеет место зависимость от целого ряда факторов: вида и габаритов средства передвижения, электрического силового агрегата, аккумуляторов, условий передвижения, местности, а также стиля вождения. Ландшафт весьма влияет на полученное количество «халявной» энергии: если вы постоянно будете ехать по прямым дорогам без поворотов, то на возврат энергии можно и не надеяться, а вот что касается извилистых дорог или продолжительных склонов, то система получает возможность показать себя во всей красе.
Эффективность работы рекуперации в условиях города
Отдельно стоит обсудить и эффективность рекуперации при эксплуатации электротранспорта в условиях города. В этом случае кстати, ситуация весьма интересная вырисовывается. Сами разработчики позиционируют свою систему, как нацеленную в первую очередь на эксплуатацию электрокара в городе, когда водитель часто ускоряется и также часто тормозит. А как обстоят дела на самом деле? К сожалению, всё не так радужно!
Возьмём за пример электрокар Tesla Model S, который предлагает своим обладателям превосходные динамические характеристики. Так вот, даже он, особенно при движении в плотном транспортном потоке, не имеет возможности разогнаться надлежащим образом. Что из этого следует? А то, что система при таких условиях практически не даёт положительной прибавки, так как скорость до начала замедления не успевает перевалить за отметку 60 км/ч, поэтому и запас пробега увеличится в незначительной степени.
Зависимость эффективности рекуперации от массы средства передвижения
Огромнейшее влияние на возврат энергии оказывает масса транспортного средства: чем оно увесистей, тем больше будет высвобождаться кинетической энергии при торможении, поэтому становится понятно, что негабаритные средства передвижения на электротяге проигрывают «тяжёловесам». Вывод из всего этого прост: чем тяжелее электрокар, тем больше себя будет оправдывать рекуперация. Это можно наблюдать в вышеприведённом примере с Теслой, масса которой колеблется в пределах 1886-2175 кг, естественно, это не так много, чтобы рассчитывать на выдающийся результат при движении в тех же городских условиях.
Однако в целом, показатель доходит до 60-70%. Если верить словам отдельных разработчиков электромобилей, системы рекуперации утрачивают 10-20% от полученной энергии, а после, теряют ещё столько же в процессе преобразования этой энергии в заряд для АКБ. Такие цифры являются типичными для большинства электромашин.
Тут стоит отметить, что семидесяти процентный выигрыш ни в коем случае не даёт увеличение пробега на одном заряде, к примеру с 200 км до 340 км. На самом деле, это означает только то, что 70% кинетической энергии растраченной при замедлении, может быть возвращено обратно.
Нужна ли рекуперация лёгкому индивидуальному электротранспорту?
Считать данную систему бесполезным приспособлением конечно не стоит, однако и ожидать от неё чего-либо сверх естественного — будет весьма не разумно. Если у вас расчёт на ситуацию, что контроллер в паре с мотор-колесом функционирующем в режиме регенерации сможет сотворить чудо, увеличив в разы пробег на одном заряде, то готовьтесь к горькому разочарованию. Значимой прибавки к километражу рекуперация вам не обеспечит, но на парочку бонусных километров вы можете вполне рассчитывать. Иногда, даже такая скромная прибавка может прийтись весьма кстати. У рекуперативного торможения есть ещё одно достоинство: тормозные колодки прослужат вам дольше.
Система рекуперации на электробайке является полезным дополнением, вот только юзер должен оценивать её возможности адекватно и не обманывать самого себя. Увеличить показатель пробега на одном заряде можно и другими методами: применением более ёмкого накопителя, ездой в эконом-режиме, а также сочетанием работы электропривода с педалированием.
Естественно, как и говорилось выше, самая большая отдача по рекуперации у тяжёлых транспортных средств: чем тяжелее машина, тем больше отдача — всё просто! Логично, что легковесный индивидуальный электрический транспорт, такими впечатляющими показателями не обладает. На многих моделях электробайков оборудованных функцией рекуперативного торможения, средним показателем считается пяти процентная отдача, а при езде по холмистой местности, можно выжать максимум 8%.
Вместо прямоприводных электромоторов, поддерживающих возврат энергии, в большинстве случаев будет рациональней применить редукторные движки с обгонной муфтой. Эти вариации более экономно потребляют электроэнергию накопителя, обладают меньшей массой и не притормаживают, когда отсутствует питание.
Производители электровелосипедов, иногда используют рекуперативное торможение больше как маркетинговый ход, чем как действительно нужное приспособление. Но всё же вещь эта реально может сослужить добрую службу обладателям электрических байков: особенно радует тот момент, что рекуперация является ещё одной останавливающей силой для лёгкого электротранспорта.
Возьмём за пример электросамокат Xiaomi M365. Фронтальное мотор-колесо замедляется только посредством рекуперации, а вот заднее колесо для этих целей оборудовано дисковым тормозным механизмом. Из этого следует, что аппарат имеет в своём распоряжении две независимые системы торможения и всего один рычаг управления ими. Это даёт такие преимущества: меньшая масса, меньшая себестоимость, облегчение сборки.
Неплохим дополнением рекуперация стала и для электрических скейтбордов. Особенно важную роль она играет на модификациях, максимальная скорость которых достигает отметки 30 км/ч.
Использование системы рекуперации в механизме подвески
Естественно, любой разработчик всегда хочет извлечь максимальную выгоду из всего, поэтому рациональные инженеры пошли ещё дальше: они решили использовать кинетическую энергию подвески, работающей во время обычного движения. Разработкой такой системы занимаются фирмы Levant Power и ZF, так что в будущем, такими приспособлениями могут быть оснащены все серийно производимые автомобили.
Как работает рекуперативная подвеска
В состав системы входит небольшой электрический движок, четыре электрогидравлических насоса и блок управления. Аппаратура монтируется около каждого амортизатора, а при перемещении в них штока, кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и подаваться на АКБ. Сочетание данной системы с традиционной рекуперацией, должно обеспечить эффективность приблизительно в 2 раза большую.
Заключение
Рекуперативное торможение — одно из самых полезных изобретений! Действительно, зачем пропадать энергии даром, если её можно использовать с пользой. Самую большую выгоду от рекуперации имеют электропоезда — вот там реально глобальные масштабы (с них кстати всё и началось), а самую маленькую — лёгкий индивидуальный электротранспорт: мотоциклы, скутера, велосипеды, самокаты и т. п. Также, большую роль играет местность, по которой будет двигаться транспортное средство. К примеру в городе, глупо ожидать от рекуперации больших успехов, ведь там, автомобили, итак, ползут черепашьим темпом и к интенсивному замедлению водители прибегают не часто. Зато вот на холмистой местности, действительно можно «разгуляться». В любом случае, некоторое количество затраченный энергии, вы таки будете получать обратно — иногда больше, иногда меньше. Поэтому, данная система имеет полное право на существование!
Эта таинственная рекуперация
Двигатель постоянного тока, стоящий в моноколесе, может работать как генератор, заряжая батареи на торможении. Однако возможность еще не означает, что рекуперация непременно есть. Из того, что у людей заряжались колеса при, например, спуске с горы, можно сделать вывод, что рекуперация в моноколесах все-таки используется, но ее точный вклад в торможение оставался неизвестным. Но недавно пользователи форума Электротранспорт.ру сделали полноценный ваттметр с логгером и посмотрели, что происходит с током и напряжением при езде. По результатам измерений рекуперация есть точно, но куда-то пропал еще один тип торможения.
Немного физики
Электродвигатели постоянного тока, которые стоят на моноколесах, имеют три варианта торможения.
Рекуперативное торможение. В этом случае двигатель превращается в генератор и переводит кинетическую энергию в электрический ток, который уходит в сеть (электровозы и метро) или в аккумуляторы (электрокары). Рекуперативное торможение возможно, когда скорость вращения превышает скорость идеального холостого хода.
Реостатное торможение. Здесь двигатель также работает, как генератор, но получаемая энергия уходит в нагрев тормозных резисторов. Довольно распространено на железной дороге.
Тормозные резисторы
Реверсивное торможение, оно же торможение противотоком или противовключением. В этом случае двигатель не превращается в генератор, но начинает тянуть в противоположную движению сторону. Например, если электромотор тянет вверх груз, и на этот груз запрыгивает хулиган, перевешивая возможности мотора, то груз начнет опускаться, а двигатель окажется в режиме реверсивного торможения. В таком режиме протекающий через обмотки ток гораздо выше, чем при нормальной работе, и это может создать определенные проблемы.
Специфика моноколеса
У многих моноколес нет передней и задней части, и контроллер не разгоняется и не тормозит, а все время решает задачу обратного маятника, пытаясь подъехать под ездока, который может пользоваться этим для эффектных трюков.
Например, здесь райдер очень резко тормозит и начинает разгоняться вправо.
Также, известно, что в конструкции моноколеса нет тормозных резисторов, и реостатное торможение в принципе невозможно. Теоретически, логично предположить, что в процессе торможения сначала на высокой скорости будет задействоваться рекуперативное торможение, которое на каком-то этапе перейдет в торможение противовключением, которое, если мы не прекратим давить на педаль в ту же сторону, перейдет уже в двигательный режим, и мы поедем в противоположную сторону. Но реальные измерения оказались очень любопытными.
Исследования на железе
Пользователь форума Drift3r собрал из Raspberry Pi и «nRF24L01+» ваттметр с логгером, который устанавливался в разрыв кабеля от аккумуляторных батарей.
В собранном виде на колесе другого пользователя Ripido
Ваттметр учитывал направление тока, там, где батареи заряжались, ток и мощность уходили в минус.
График в полном размере
Если посмотреть на красные линии, то получается, что в глубоком устоявшемся торможении не видны следы торможения противотоком — пока скорость падает, ток идет в батареи.
Интересно, что показатели встроенного логгера, если не учитывать ток по модулю, отличаются от данных ваттметра только на участках довольно резких маневров.
График в полном размере, Awhe, Vwhe — встроенный логгер колеса, Alog, Vlog — логи ваттметра
Гипотезы и возможные эксперименты
Также, попробуем провести следующий мысленный эксперимент. Ситуация первая — мы катимся с горки со скоростью 20 км/ч. В этом случае, очевидно, работает рекуперация. Ситуация вторая — мы стоим на горке (моноколесо стоять не может, так что мы легко касаемся пальцами столба и за счет этого не заваливаемся набок). В этом случае мы, очевидно, работаем в тяговом режиме, потому что надо прикладывать усилие, чтобы не покатиться вниз. Ситуация третья — мы спускаемся со скоростью 1 миллиметр в секунду с крутой горки, придерживаясь за столб. В этом случае колесо, очевидно, работает в режиме противовключения, потому что итоговый баланс энергии отрицательный — она расходуется на то, чтобы не скатиться под горку быстрее, чем мы движемся. И где-то между ситуациями 1 и 3 у нас будет переходный момент, когда итоговый энергетический баланс будет околонулевым — скатываться быстрее будет выгодно энергетически, а движение медленнее будет требовать энергетических затрат.
Практическое применение
У всех этих рассуждений есть очень простые следствия:
Есть забавная история о том, как на трассе заряжали электромобиль Tesla — его взяли на буксир, и водитель Tesla давил на педаль тормоза, чтобы рекуперация заряжала батареи. С моноколесами то же самое — если у вас почти сел аккумулятор, пусть вас возьмет на буксир соратник на велосипеде, самокате, роликах или моноколесе (пожалуйста, берегите себя и не пробуйте цепляться за машины или общественный транспорт!).
У моноколес есть защита от перезаряда батарей. То есть, если вы оказались на вершине горы с полной батареей, попытка спуститься будет сопряжена с тревожными сигналами моноколеса о перезаряде аккумуляторов — обычно они начинают пищать и задирать педали (вместо горизонтального положения их передняя часть будет выше задней). Но это легко исправить — проехав метров сто вверх, желательно побыстрее, вы сможете спуститься на километр-два. Лайфхак повторять до окончания спуска.
Заключение
В публикации использованы фотографии пользователей Ripido и Drift3r, темы, где обсуждалась рекуперация тут и тут. Также использованы стоп-кадры из рекламного ролика с участием недавнего победителя конкурса моноколесных талантов Дамьена Гоме. Дамьен — профессиональный акробат, поэтому ролик, на мой взгляд, красив сам по себе и наглядно показывает возможности любого хорошего моноколеса.