Система рекуперативного торможения

В современных гибридных автомобилях используется система рекуперативного торможения. В основу системы положен электрический способ рекуперации кинетической энергии.

Движение автомобиля сопровождается кинетической энергией. При торможении с использованием традиционной тормозной системы избыток кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию трения тормозных колодок и тормозного диска и, соответственно, расходуется вхолостую.

В системе рекуперативного торможения для замедления используется электродвигатель, включенный в трансмиссию автомобиля. При торможении электродвигатель начинает работать в генераторном режиме, на валу двигателя создается тормозной момент и вырабатывается электрическая энергия, которая сохраняется в аккумуляторной батарее. Запасенная электрическая энергия используется в дальнейшем для движения автомобиля.

Применение системы рекуперативного торможения обеспечивает максимальную отдачу от каждого заряда аккумуляторной батареи и высокую топливную экономичность. Рекуперативное торможение наиболее эффективно на передней оси автомобиля, т.к. до 70% кинетической энергии при торможении приходится именно на переднюю ось.

Эффективность системы рекуперативного торможения значительно снижается на низких скоростях движения автомобиля. Поэтому для доведения автомобиля до полной остановки используются традиционные фрикционные тормоза. Совместная работа двух систем находится под управлением электроники.

Отдельный электронный блок управления реализует следующие функции:

• контроль скорости вращения колес;
• поддержание тормозного момента электродвигателя, необходимого для замедления автомобиля;
• перераспределение тормозного усилия на фрикционную тормозную систему;
• поддержание крутящего момента, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи.

В данной тормозной системе механическая связь между педалью тормоза и тормозными колодками отсутствует. Решение о торможении принимает электроника на основании анализа действий водителя и характера движения автомобиля.

Система рекуперации кинетической энергии

Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.

Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.

Система KERS применяется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового использования применение данной системы только планируется. Ближе всех к серийному применению системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.

Cистему KERS предлагается использовать при движении автомобиля в городском цикле. При торможении двигатель автомобиля выключается, маховик раскручивается и запасает энергию. При трогании с места используется энергия маховика, автомобиль трогается, а двигатель запускается уже в движении.

По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.

Материалы: http://systemsauto.ru/brake/regenerative_braking.html

Традиционным способом избавления от лишней энергии, выделяемой в преобразователях частоты во время торможения управляемых ими асинхронных двигателей, было рассеивание оной в форме тепла на резисторах. Тормозные резисторы применялись везде, где имела место высокая инерция нагрузки, например в центрифугах, на электротранспорте, на нагрузочных стендах и т. п.

Такое решение было необходимостью, чтобы ограничить максимальное напряжение на зажимах преобразователей в режиме торможения. Иначе бы частотные преобразователи выходили из строя, ведь было бы невозможно контролировать параметры разгона и торможения.

Тормозные резисторы не обременяли экономически оборудование, но некоторые неудобства за собой неизменно влекли. Резисторы габаритны, сильно разогреваются, нужна защита от влаги и пыли. И все это связано лишь с тем, что нужно рассеять впустую энергию, за которую предприятие платит деньги, и деньги не малые, если тем более речь о крупном производстве.

Летом особенно нежелателен дополнительный нагрев окружающего воздуха, ведь технологическое оборудование и так нагрето теплым воздухом, а тут еще и резисторы, прогретые до 100 градусов и выше. Нужна дополнительная вентиляция — снова расходы.

Но есть и другой путь. Зачем рассеивать энергию впустую? Можно вернуть ее в сеть обратно, и так сэкономить энергозатраты. Тут то и приходят на помощь системы рекуперации электроэнергии.

Безусловно, частотные преобразователи сегодняшнего дня сильно сокращают потребление электричества оборудованием, благодаря оптимизации способа питания двигателей различного технологического оборудования, и это экономит ресурсы. Но применение рекуперации еще более наращивает экономию. Энергия может не рассеиваться на резисторах при торможении, а возвращаться в сеть с учетом текущих параметров сети.

На сегодняшний день ведущие производители промышленных механизмов и оборудования уже внедряют такие системы на электротранспорте: для троллейбусов, электропоездов, эскалаторов, трамваев, наконец — для электрокаров.

Как же работает система рекуперации? Источник переменного тока, питающий двигатель или другую установку, должен суметь принять энергию назад. Для этого вместо обычного выпрямителя применяется преобразователь с широтно-импульсной модуляцией. Такой преобразователь в состоянии направлять потоки мощности как от источника к потребителю, так и от потребителя к источнику. Данный путь позволяет довести коэффициент мощности до единицы.

Типичный IGBT-каскад частотного преобразователя, работающий в режиме рекуперации, сначала представляется как выпрямитель синусоидального тока, однако при торможении он генерирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией, при котором направление тока, при напряжении на зажимах выше определенного уровня, оказывается направленным не от сети, а к сети из цепи потребителя.

Разница напряжений питающей сети и цепи нагрузки прикладывается к рекуперационному индуктору. Индуктивность блокирует высокочастотные гармоники, и получается почти чистый синусоидальный ток, здесь не требуется синхронизирующего оборудования, достаточно подать три тестирующих импульса от ШИМ-модулятора в сеть, чтобы определить частоту и фазу напряжения в текущий момент.

Примером могут служить частотные преобразователи с системой рекуперации фирмы Control Techniques, которые служат в частности на заводах Lamborghini и Nissan для питания стендов динамических испытаний, а также на эскалаторах и в различных металлургических решениях.

Суть везде одна и та же — создается двунаправленный поток энергии как к потребителю из сети, от источника, так и из потребителя к сеть. При проектировании рекуперационных систем учитывают рад факторов: диапазон сетевого напряжения, номинал оборудования и коэффициент мощности, максимальная мощность с учетом перегрузки, уровень потерь.

Схема, приведенная на рисунке, демонстрирует одномоторное решение, где привод двигателя и привод рекуператора представлены каждый в одном экземпляре, их номиналы равны. Но порой случаются перегрузки двигателя, и тогда требуется более мощный привод рекуперации, дабы покрыть нижний предел по напряжению и потери в двигателе.

По такому же принципу обеспечивается работа нескольких двигателей с несколькими моторными приводами, при этом ставится один мощный привод рекуперации, способный пропустить через себя суммарную мощность для всех двигателей системы с учетом возможности одновременного торможения всех двигателей.

Для ограничения пускового тока в системах с несколькими двигателями, когда шины постоянного тока объединены, применяют тиристорные модули, подключаемые при помощи контакторов к заряжаемым постоянным током конденсаторам преобразователя. После заряда конденсаторов тиристорный модуль отключается. Очевидно, системы рекуперации конфигурируются по разному, и проектируются индивидуально.

Говоря о рекуперации, нельзя не вспомнить о системах рекуперативного торможения, применяемых в современных гибридных двигателях автомобилей, где основой служит путь электрической рекуперации кинетической энергии.

Всегда, когда автомобиль движется, проявляется кинетическая энергия. Но при торможении в традиционном виде, избыток энергии просто теряется в форме тепла, тормозные колодки трутся о тормозные диски, расходуя кинетическую энергию впустую, нагревая фрикционный материал и металл, отдавая тепло в конечном итоге окружающему воздуху. Это очень расточительный подход.

Система рекуперативного торможения не расходует кинетическую энергию просто на трение, чтобы затормозить. Вместо этого используется включенный в трансмиссию электродвигатель, который начинает при торможении работать как генератор, преобразовывая момент на валу в электроэнергию, заряжающую аккумуляторную батарею, а тормозящий момент ротора, возникающий в генераторном режиме, как раз и дает автомобилю желанное торможение. Запасенная в аккумуляторе таким образом энергия через некоторое время вновь служит для движения автомобиля, то есть используется повторно.

Рекуперативное торможение позволяет по максимуму использовать доступный ресурс каждого заряда аккумулятора, и топливо сильно экономится. Поскольку при торможении 70% кинетической энергии приходится на переднюю ось, то и систему рекуперации монтируют именно на передней оси, чтобы более эффективно сохранять энергию.

Наибольшая эффективность рекуперативного торможения достигается на высоких скоростях движения, а при низких скоростях эффективность системы падает. По этой причине наряду с рекуперационным торможением так или иначе фрикционная тормозная система присутствует. Совместная работа двух систем обеспечивается электронным контроллером.

Контроллер реализует ряд функций: контролирует скорость вращения колес, поддерживает правильный тормозящий момент, распределяет тормозное усилие между рекуперационным и фрикционным тормозом, поддерживает приемлемый для оптимального заряда батареи крутящий момент.

Разумеется, прямой механической связи между педалью тормоза и фрикционными колодками в таких автомобилях нет. Электронный блок обеспечивает правильное взаимодействие ABS, системы курсовой устойчивости, системы распределения тормозных усилий и усилителя экстренного торможения между собой.

Материалы: http://electrik.info/main/fakty/1172-rekuperaciya-elektricheskoy-energii.html

Для кого-то может показаться необычным, но легковой автомобиль можно рассматривать с точки зрения устройства, которое напрасно расходует энергию топлива. Так, например, коэффициент полезного действия двигателей, работающих на бензине, по некоторым оценкам специалистов, составляет максимум 34%, при этом одна треть теряется при прохождении через систему охлаждения, одна треть при прохождении через систему выхлопа, оставшаяся часть – в пробках, торможении и разгоне автомобиля. Чтобы снизить показатель потерь, в практике используют рекуперацию энергии.

Что такое рекуперативное торможение

Рекуперация – это возврат или компенсация затраченной энергии. Из этого следует, что работа рекуперативной системы торможения заключается в возвращении части затраченной энергии при торможении автомобиля.

Как правило, изучая технические характеристики легкового автомобиля, особое внимание уделяется мощности мотора, динамике движения. Однако не стоит забывать о таком понятии как качественная тормозная система, а ведь именно она отвечает за безопасность движения автомобиля.

В легковом автомобиле, как правило, используется классическая тормозная схема, принцип действия которой основан на работе фрикционного механизма: колодки, которые трутся о диски или барабан. Принцип работы такой системы тормозов заключается в преобразовании кинетической энергии автомобиля. Такое возможно за счет силы, которая образуется при трении колодок и дисков, и в дальнейшем рассеивании тепла в окружающую среду. Такая энергия уходит в пустоту и теряется безвозвратно, не принося никакой пользы.

Проблема безвозвратно утерянной энергии была замечена довольно давно, и уже более десяти лет конструкторы пытаются найти правильный выход из такой ситуации. На сегодняшний день, рекуперативное торможение является наиболее оптимальным решением проблемы.

Система рекуперации энергии торможения разделяется на два вида:

1. Для электрических автомобилей. При торможении рекуперативного типа вырабатывается электрическая энергия, которая либо генерируется в аккумуляторах, либо переходит в контактную сеть.
2. Для транспорта, работающего на обычном двигателе внутреннего сгорания. В этом случае рекуперативное торможение позволит запасать энергию, которая в будущем расходуется на разгон автомобиля.

Принцип работы рекуперативной системы торможения

В целом, работу системы рекуперации энергии торможения можно представить следующим образом. Электродвигатель тягового типа в случае необходимости торможения транспорта отключается от питания электричества и переходит в режим генератора, то есть самостоятельно вырабатывать электрическую энергию. В таком режиме в электродвигателе возникает тормозной момент, который приводит к снижению скорости транспортного средства.

Почему возникает тормозной момент? Ответ на этот вопрос можно найти, изучив основы электродинамики. При вращении ротора в его обмотке и обмотке статора возникают разнонаправленные токи. Взаимодействуя друг с другом, эти токи тормозят движение ротора. При этом стоит отметить, что на выработку электричества расходуется энергия, аккумулируемая транспортным средством, и в процессе ее расхода происходит снижение скорости.

Изначально, наибольшее свое применение система рекуперации энергии торможения нашла на железнодорожном транспорте, особенно на грузовых поездах постоянного тока. Она используется не для полного торможения, а только для плавного снижения скорости, перед тем как произойдет полная остановка и для того, чтобы поддерживать оптимальный скоростной режим при спуске состава под уклон. Учитывая большую массу железнодорожных составов, рекуперация дает поразительные результаты, и помогает сэкономить большие суммы денежных средств.

Система старт стоп с рекуперацией

Конструкторы многих известных автомобильных концернов с успехом используют эту систему при производстве своих автомобилей. Основное назначение этой системы – максимальная экономия топлива, но при этом очень часто она взаимодействует с рекуперацией энергии. Практические исследования показали, что до 40% общего времени движения двигатель работает вхолостую из-за городских пробок, остановок на светофорах и других помех. Хорошим решением проблемы может стать использование режима старт-стоп.

В его основе заложен следующий принцип: в случае остановки двигатель перестает работать (стоп), а при необходимости начать вновь движение заводиться (старт). Все эти манипуляции проходят автоматически, руководствуясь показаниями специальных датчиков, которые контролируют работу двигателя и его действия. В особых случаях в работу включается рекуперация. Это поможет получить дополнительный заряд для работы аккумуляторов.

Для того чтобы система старт-стоп успешно эксплуатировалась, нужно чтобы в автомобиле был установлен усиленный стартер. Тогда даже при очень скромных подсчетах, можно сэкономить до 9% объема используемого топлива, соответственно снижается уровень выхлопных газов и вредных веществ в атмосферу.

Рекуперация энергии в подвеске

Лидер в производстве автомобильных трансмиссий, компания с мировым именем ZF, совместно с американским производителем Levant Power запустили новый проект по созданию инновационной подвески, которая должна стать новинкой в автомобильном мире. Эта модель подвески будет оснащена способностью рекуперации энергии. В будущем разработчики планируют сделать такую подвеску доступной для монтажа на всех выпускаемых автомобилях.

Система рекуперации энергии в подвеске будет состоять из маленького электрического двигателя, блока управления и четырех электрогидравлических насосов, которые будут устанавливаться около амортизаторов на каждом колесе автомобиля. Именно такой набор элементов будет отвечать за уровень давления масла в амортизаторе, подстраивая их под работу автомобиля в конкретных дорожных условиях.

Рекуперация энергии будет происходить от движений штока. Его принцип работы будет заключаться в преобразовании кинетической энергия в электрическую, которая в свою очередь будет поступать в общую электрическую сеть транспортного средства.

К сожалению, когда именно подобное устройство появиться в свободном доступе пока не известно. По расчетам конструкторов работа займет несколько лет, после чего начнется подготовка автопроизводителей по внедрению этого элемента в конструкцию автомобиля.

Рекуперация на сегодняшний день активно используется в гоночных авто. Но при этом растет количество обычных автомобилей, которые также оснащены этой системой. Это позволит более экономично расходовать топливо, используя энергию торможения и особые режимы движения.

Более детально разобраться в принципе работы рекуперативной системы поможет следующее видео:

Материалы: http://mashintop.ru/articles.php?id=2748