Тормозить и запасать: системы рекуперации в современных машинах

Силовой спуск

Определение качества электроэнергии анализаторами

Недостатки устройств с рекуперацией, применяемых на транспорте, не позволяют использовать её как основной узел торможения. К основным минусам относятся:

  • отсутствие стояночного тормоза;
  • недопустимость полной остановки.

В связи с этим на всех устройствах и транспортных средствах применяют механические тормоза.

Эти же недостатки позволяют использовать рекуперацию для организации силового спуска. Её применяют при движении электротранспорта вниз на уклонах или для снижения скорости подачи груза вниз при опускании краном.


Силовой спуск при опускании грузов

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 распространенными автомобилями этих классов является Toyota Prius, Chevrolet Volt, Honda Insight, Tesla Model S,3,X,Y

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

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

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

Использование в автоспорте

В на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области и дальнейшие совершенствования данной системы.

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

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

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

Рекуперативное торможение используется также в гонках на выносливость. Такой системой оснащены спортпрототипы класса LMP1 заводских команд и , .

Система рекуперации с накопительным конденсатором

Период торможения автомобиля длится достаточно короткое время. Поэтому из-за технологических особенностей устройства современных аккумуляторных батарей (а вернее химических процессов, происходящих при их подзарядке) сохранить большое количество энергии в них довольно трудно. Компания Mazda разработала систему рекуперации с использованием накопительного конденсатора. В процессе торможения специальный генератор с напряжением 12÷25 В за короткий отрезок времени заряжает емкость. Далее накопленная энергия через конвертор (DC/DC) преобразуется в привычные 12 В и поступает либо на различные потребители (кондиционер, CD-плейер и так далее), либо подзаряжает штатную аккумуляторную батарею. По утверждению производителя экономия топлива составляет не менее 10%.

Виды систем рекуперации

Основных разновидностей рекуперации всего три:

  •     Электрическая.

  •     Механическая.

  •     Гидравлическая.

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.

SMART системы рекуперации

Как работает эта так называемая «умная» система? При разгоне транспортного средства, когда двигатель испытывает повышенные нагрузки, происходит отключение штатного генератора. Это позволяет мотору быстрее набрать обороты и израсходовать меньше топлива. При торможении генератор включается в работу и происходит рекуперация энергии. В процессе движения электроника «отслеживает» величину емкости батареи. При ее уменьшении (до 75% от номинальной) автоматически включает генератор, чтобы произвести подзарядку аккумулятора.

Рекуперативное торможение что это и когда будет наших авто

Рекуперативное торможение — что это такое и как работает?

Друзья, вы наверняка замечали, что в последние годы тема всевозможных возобновляемых и экологически чистых источников энергии муссируется очень активно.

В связи с этим хотелось бы поговорить о системе, которая просто таки творит чудеса — система рекуперативного торможения.

Во первых хочется сказать, эта новомодная система добралась все-таки и до любимых нами легковушек. Теперь уже практический каждый автопроизводитель имеет в своём арсенале по парочке моделей с гибридной силовой установкой, а то и вообще электромобиль.

Рекуперативное торможение — источник энергии

В чём же суть данной технологии? Оказывается, что во время движения наши с Вами автомобили не только поглощают энергию, съедая топливо, но и выделяют её.

Происходит это, как правило, во время торможения, когда масса кинетической энергии улетучивается в виде тепла от тормозных механизмов в атмосферу. «Зачем же нам греть воздух, если можно использовать её в других целях», — как-то раз задумались инженеры.

Результатом их трудов и стала система рекуперативного торможения, то есть такая, которая возвращает часть выделяющейся энергии обратно, в организм автомобиля, где потом используется вновь, а это значит, что мы экономим.

Проще всего такой фокус можно реализовать на гибридных машинах и электромобилях. Почему? Ответ будет дальше.

Кстати, автомобильный транспорт не единственный, где можно встретить рекуперационные системы. Довольно активно и давно они используется на железной дороге у электровозов, а также на городском электротранспорте – трамваях и метро.

Как сохранить энергию торможения?

С сутью рекуперации мы, кажется, разобрались, теперь остаётся выяснить, как она реализована на практике. Есть несколько способов повернуть энергию, выделяющуюся при торможении, в нужное русло. Мне известны только два:

  • электрический;
  • механический.

Электрический метод

Электрическое рекуперативное торможение, с технологической точки зрения можно назвать самым доступным, и именно он наиболее точно подходит под определение этой системе.

Система рекуперативного торможения

Электрический метод актуален для автомобилей с гибридными моторами (ДВС + электропривод) или для электромобилей.

Главную роль тут играют электродвигатели, которые благодаря своим свойствам, могут не только крутить колёса, но и крутиться сами под воздействием внешних сил, превращаясь в генераторы.

В момент рекуперативного торможения, электромотор переключается в генераторный режим и создаёт дополнительное останавливающее усилие на осях. В этом случае он уже не потребляет энергию аккумулятора, а наоборот, подзаряжает его, и так повторяется каждый раз, когда вы нажимаете на тормоз.

Таким образом, по подсчётам автопроизводителей, подобная система рекуперации на гибридном авто экономит до 30% запасов топлива.

Необходимо отметить, что в зависимости от скорости машины, электроника сама выбирает как ей лучше оттормаживаться – с помощью электродвигателя или традиционными методами.

Механический способ

Механическое рекуперативное торможение. По сути, это не система рекуперативного торможения, а система рекуперации кинетической энергии, так как она не способствует тому, чтобы автомобиль остановился, а просто накапливает часть энергии, выделяющейся во время снижения скорости.

В данном методе в качестве ключевого элемента используется маховик, который раскручивается во время торможения и затем отдаёт эту кинетическую энергию по мере дальнейшего движения авто.

Вращается маховик в вакуумной камере, а при торможении автомобиля раскручивается до 60000 об/мин. Конструкция такова, что она сохраняет энергию во вращательном маховике до 600 кДж, а при отдаче выдает мощность до 60 кВт, что составляет 80 л.с.

Такая система, получившая название KERS, несколько лет назад эксплуатировалась на гоночных машинах Формулы-1, где позволяла кратковременно добавить двигателю внутреннего сгорания ещё несколько десятков лошадиных сил.

В гражданской технике рекуперативное торможение пока является экзотикой и серийно не устанавливается.

Система KERS — рекуперация кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems)

Таким образом, наши дорогие читатели, мы видим, что игры с кинетической энергией, выделяющейся при торможении, могут давать вполне ощутимые результаты в виде экономии топливных ресурсов.

Но, справедливости ради, нужно заметить, что все эти системы довольно дорогое удовольствие, которое пока что очень осторожно становится массовым продуктом

На этом всё, спасибо за внимание и до новых встреч!

Параметры режима работы тяговой сети переменного тока при рекуперации электроэнергии

Инвертор, преобразующий электроэнергию рекуперации постоянного тока тяговых двигателей в переменный ток СТЭ, располагается на ЭПС и относится к категории ведомых сетью.

При рекуперации электроэнергии на переменном токе 25 кВ активная энергия рекуперации генерируется ЭПС в СТЭ, а реактивная энергия потребляется из сети внешнего электроснабжения так же как в режиме тяги. Это увеличивает реактивное электропотребление электровозами в межподстанционной зоне.

————-> P ¦ Режим

————-> Q ¦ тяги

—————————————————

<�————- Р ¦ Режим

————-> Q ¦ рекуперации

Рис. Направления электроэнергии в режимах тяги и рекуперации ЭПС.

Угловые сдвиги между током и напряжением ЭПС в режиме тяги составляют для диодных ЭПС φЭ = 370эл, для тиристорных ЭПС φЭ = 420эл. Коэффициент реактивной мощности для режима тяги tg φЭ = Q/P диодных ЭПС составляет tg 370 = 0,754, тиристорных ЭПС — tg 420 = 0,9. Следовательно реактивное электропотребление ЭПС в режиме тяги QТ = (0,75÷ 0,9)P. Реактивное электропотребление в режиме тяги составляет (75÷ 90) % от активного.

Угловые сдвиги между током и напряжением ЭПС в режиме рекуперации составляют φЭ = 60 эл. гр. Коэффициент реактивной мощности для режима рекуперации tg φЭ = Q/P составляет tg 600 = 1,73. Следовательно, реактивное электропотребление ЭПС в режиме рекуперации QР = 1,73P. Реактивное электропотребление в режиме рекуперации составляет 170 % от активного.

При совместной работе в межподстанционной зоне ЭПС в режимах тяги и рекуперации значительно увеличивается реактивное электропотребление. Оптимальный режим в межподстанционной зоне соответствует равенству активного электропотребления ЭПС в режимах тяги Рт и активной генерации в режимах рекуперации Рр (Рт = Рр). При этом реактивная мощность на тягу Qт = 0,9Р, реактивная мощность на рекуперацию равна Qр = 1,73Рт и суммарное реактивное электропотребление Q∑ = (0,9 + 1,73)Рт = 2,63Рт. Соотношение К = 2,63/0,9 = 2,92. Следовательно, реактивное электропотребление в межподстанционной зоне в оптимальном режиме рекуперации увеличивается в 3 раза. Так как соотношения активного электропотребления ЭПС в режимах тяги и генерации меняется, то следует считать, что реактивное электропотребление увеличивается в диапазоне 1, 7 ÷ 3 раза по сравнению с режимом тяги.

Рассмотрим линейные и векторные диаграммы тока и напряжения тяговой сети в режимах тяги и рекуперации при одностороннем питании контактной сети.

Режим тяги.

Рис. Линейная диаграмма тока и напряжения ЭПС в режиме тяги: E1, U1 – кривая ЭДС и напряжения трансформатора ЭПС; i1t – кривая тока, i1(1) – кривая тока первой гармоники.

Потеря напряжения в режиме тяги

∆ Uтс = Iт RТС cos φТ + Iт Хтс sin φТ = Iат RТС + IрХТС.

Напряжение у источника

U1 = Uэпс + ∆ Uтс.

Режим рекуперации.

Рис. Линейная диаграмма тока и напряжения ЭПС в режиме рекуперации: E1, U1 – кривая ЭДС и напряжения трансформатора ЭПС; i1Р – кривая тока, i1(1) – кривая тока первой гармоники.

Рис. Векторная диаграмма тока и напряжения в режиме рекуперации: Iэ –полное значение тока; Iра, Iрр – активная и реактивная составляющие тока ЭПС; φр – угловой сдвиг между током и напряжением.

Рекуперация и дать, и взять журнал За рулем

16 февраля 2011 годаЕще 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.

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.

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.

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

https://youtube.com/watch?v=a6d-53egK1k

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.

Рекуперация: и дать, и взятьРекуперация: и дать, и взятьОшибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

Управление работой генератора

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

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

Как работает система рекуперации

Потребление электроэнергии бытовыми приборами

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

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

На повышение передачи тепла в этом случае влияют:

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

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


Рекуператор воздуха

Применение принципа рекуперации энергии на транспорте:

Технология рекуперативного торможения часто используется на гибридных машинах, использующих в качестве источников  энергии как дизельное топливо или бензин, так и электричество, а также на электрических транспортных средствах. Применение системы рекуперативного торможения обеспечивает максимальную отдачу от каждого заряда аккумуляторной батареи машины. По подсчётам автопроизводителей, система рекуперации на гибридном авто экономит до 30% запасов топлива.

Рекуперативное торможение широко применяется на современном городском электрическом транспорте: современных трамваях и троллейбусах. Их вагоны оснащены системой рекуперативного торможения, которое используется как основное.

Использование рекуперативного торможения в метрополитенах, где поезда совершают частые остановки, экономически очень выгодно. Все метровагоны оснащены аппаратурой рекуперативного торможения. Максимальный эффект  использования  системы рекуперации в данном случае достигается при согласовании моментов торможения прибывающего на станцию поезда с отправлением другого от той же или со смежной станции. Такая схема движения поездов метрополитена учитывается при составлении расписания.

Самое большое свое применение система рекуперативного торможения нашла на железнодорожном транспорте: на электровозах и электропоездах. В частности, на грузовых поездах постоянного тока она используется не для полного торможения, а для плавного снижения скорости, перед тем как произойдет полная остановка состава. Кроме этого, рекуперация применяется при спуске состава под уклон для поддержания оптимальной скорости. Выработанная таким образом электрическая энергия передается через контактную сеть для использования другими локомотивами, либо через тяговые подстанции в общую энергосистему. Раньше этой системой оборудовались только локомотивы, работающие от сети постоянного тока, по причине того, что в аппаратах, работающих от сети переменного тока, сложно синхронизировать частоту отданной энергии с частотой сети. Сейчас это решается при помощи тиристорных преобразователей частоты. Т.к. железнодорожные составы имеют большую массу, использование рекуперативной системы торможения показывает высокую эффективность.

Примечание:  Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Найти что-нибудь еще?

карта сайта

рекуперативное торможение электровоза асинхронного двигателя постоянного тока дпт нв ад недостатки электродвигателя характеризуется bmw эпу1м 2мсистема режим принцип схема устройство и работа рекуперативного торможения электровоза эп1 асинхронного двигателя вл 10 volkswagenрекуперативно реостатное торможениемеханическая характеристика рекуперативного торможения асинхронного двигателядопускается ли машинисту применять реостатное и рекуперативное торможение эпс на железнодорожном транспорте на эпс переменного тока на практике с возвратом энергии велосипедапостроение характеристик рекуперативного торможения электровоза постоянного токафольксваген система start stop с рекуперативным торможением

Коэффициент востребованности
402

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий