Как работает рекуперативное торможение в электромобилях


Торможение – одна из важных частей автомобиля. Механическая тормозная система, которую мы используем в наших автомобилях, имеет большой недостаток: она тратит кинетическую энергию автомобиля в виде тепла. Это снижает общую эффективность автомобиля, влияя на экономию топлива. При движении по городу мы склонны чаще трогать и останавливать автомобиль по сравнению с движением по шоссе. Поскольку мы часто нажимаем на тормоз при езде по городу, потери энергии увеличиваются. Инженеры придумали систему рекуперативного торможения, позволяющую восстанавливать кинетическую энергию, рассеиваемую в виде тепла во время торможения традиционным методом торможения. Следуя законам физики, мы не можем восстановить всю потерянную кинетическую энергию, но все же значительное количество кинетической энергии может быть преобразовано и сохранено в батарее или суперконденсаторе. Восстановленная энергия помогает улучшить экономию топлива в обычных транспортных средствах и увеличить запас хода в электромобилях. Следует отметить, что процесс рекуперативного торможения имеет потери при восстановлении кинетической энергии.

Регенеративное торможение в электромобилях

Прежде чем идти дальше, вы также можете прочитать другие интересные статьи об электромобилях:

Концепция рекуперативного торможения может быть реализована в обычных транспортных средствах с использованием маховых колес. Маховики представляют собой диски с высокой инерцией, которые вращаются с очень высокой скоростью. Они действуют как накопители механической энергии, поглощая (сохраняя) кинетическую энергию автомобиля во время торможения. Энергия, рекуперированная в процессе торможения, может быть использована для помощи автомобилю при трогании с места или движении на подъем.

Блок-схема направления потока мощности в режиме рекуперативного торможения

В электромобилях мы можем включить рекуперативное торможение гораздо более эффективным способом с помощью электроники. Это уменьшит потребность в тяжелых маховиках, которые увеличивают общий вес автомобиля. Электромобилям свойственна проблема беспокойства пользователей о запасе хода. Хотя средняя скорость автомобиля в городском цикле составляет около 25–40 км/ч, частые ускорения и торможения быстро разряжают аккумулятор. Мы знаем, что двигатели при определенных условиях могут действовать как генераторы. Используя эту функцию, можно предотвратить потерю кинетической энергии автомобиля. Когда мы тормозим в электромобилях, контроллер двигателя (на основе выходного сигнала датчика педали тормоза) снижает производительность или останавливает двигатель. Во время этой операции контроллер двигателя предназначен для рекуперации кинетической энергии и сохранения ее в аккумуляторе или батареях конденсаторов. Регенеративное торможение помогает увеличить запас хода электромобиля на 8-25%. Помимо экономии энергии и увеличения запаса хода, это также помогает эффективно контролировать операцию торможения.

В механической тормозной системе при нажатии на педаль тормоза на колесо действует обратный крутящий момент. Аналогично, в режиме рекуперативного торможения скорость транспортного средства снижается за счет создания отрицательного крутящего момента (противоположного движению) в двигателе с помощью контроллера двигателя. Иногда люди сбиваются с толку, когда представляют себе концепцию, согласно которой двигатель действует как генератор, когда он вращается в обратном направлении в режиме рекуперативного торможения. В этой статье можно понять, как восстановить кинетическую энергию с помощью метода рекуперативного торможения в электромобилях.

Крутящий момент двигателя и направление потока мощности в режиме двигателя

Каким образом двигатель работает как генератор

Во-первых, мы сосредоточимся на понимании того, как двигатель может действовать как генератор. Мы все использовали двигатель постоянного тока с постоянными магнитами в робототехнических приложениях, таких, например, как роботы следующие вдоль линии. Когда колесо робота, подключенного к двигателю, свободно вращается (под действием внешних сил), иногда при этом может повредиться микросхема драйвера двигателя. Это происходит потому, что двигатель действует как генератор, а генерируемая обратная ЭДС (обратное напряжение большей величины) прикладывается к микросхеме драйвера, что повреждает ее. Когда мы вращаем якорь в этих двигателях, он отсекает поток от постоянных магнитов. В результате этого ЭДС вынуждена противодействовать изменению потока. Следовательно, мы можем измерить напряжение на клеммах двигателя. Это происходит потому, что обратная ЭДС является функцией скорости ротора (об/мин). Когда частота вращения большая и если генерируемая противо-ЭДС больше напряжения питания, двигатель действует как генератор. Давайте теперь посмотрим, как этот принцип работает в электромобилях, чтобы избежать потерь энергии из-за торможения.

Когда двигатель ускоряет транспортное средство, связанная с ним кинетическая энергия увеличивается пропорционально квадрату скорости. Во время движения накатом автомобиль останавливается, когда кинетическая энергия становится равной нулю. Когда мы тормозим в электромобиле, контроллер двигателя работает таким образом, чтобы остановить двигатель или снизить его скорость. Это включает в себя изменение направления крутящего момента двигателя на направление вращения. Во время этого процесса ротор двигателя, соединенный с ведущей осью, генерирует в двигателе ЭДС (аналогично первичному двигателю/турбине, приводящему в движение ротор генератора). Когда генерируемая ЭДС превышает напряжение батареи конденсаторов, мощность течет от двигателя к батарее. Таким образом, восстановленная энергия сохраняется в батарее или батарее конденсаторов.

Как работает рекуперативное торможение в электромобиле

Предположим, что в качестве двигателя автомобиля используется трехфазный асинхронный двигатель переменного тока. Из характеристик двигателя мы знаем, что когда трехфазный асинхронный двигатель работает со скоростью, превышающей его синхронную, скольжение становится отрицательным, и двигатель действует как генератор (генератор переменного тока). На практике скорость асинхронного двигателя всегда меньше синхронной скорости. Синхронная скорость — это скорость вращающегося магнитного поля статора, создаваемого за счет взаимодействия с трехфазным источником питания. В момент запуска двигателя ЭДС, наведенная в роторе, максимальна. Когда двигатель начинает вращаться, наведенная ЭДС уменьшается в зависимости от скольжения. Когда скорость ротора достигает синхронной скорости, наведенная ЭДС равна нулю. В этот момент, если мы попытаемся вращать ротор выше этой скорости, будет индуцирована ЭДС. В этом случае двигатель подает активную мощность обратно в сеть или источник питания. Мы применяем тормоза, чтобы снизить скорость автомобиля. В этом случае мы не можем ожидать, что скорость ротора превысит синхронную скорость. Именно здесь на сцену выходит роль контроллера двигателя. Для понимания мы можем визуализировать этот процесс как показано на следующем рисунке.

Направление крутящего момента и мощности когда двигатель работает как генератор

Предположим, что двигатель вращается со скоростью 5900 об/мин, а частота питания составляет 200 Гц. Когда мы нажимаем на тормоз, нам приходится уменьшать обороты или доводить их до нуля. Контроллер действует в соответствии с сигналом датчика педали тормоза и выполняет эту операцию. Во время этого процесса контроллер установит частоту питания ниже 200 Гц, например 80 Гц. Поэтому синхронная скорость двигателя становится 2400 об/мин. С точки зрения контроллера двигателя, скорость двигателя превышает его синхронную скорость. Поскольку мы снижаем скорость во время торможения, двигатель теперь действует как генератор до тех пор, пока обороты не снизятся до 2400. В течение этого периода мы можем извлекать мощность из двигателя и хранить ее в батарее. Следует отметить, что батарея продолжает подавать питание на трехфазные асинхронные двигатели во время процесса рекуперативного торможения. Это связано с тем, что асинхронные двигатели не имеют источника магнитного потока при отключенном питании. Поэтому двигатель, когда он действует как генератор, потребляет реактивную мощность от источника питания для установления потокосцепления и подает обратно к нему активную мощность. Для разных двигателей принцип рекуперации кинетической энергии при рекуперативном торможении различен. Двигатели с постоянными магнитами могут работать как генераторы без какого-либо источника питания, поскольку в роторе имеются магниты для создания магнитного потока. Точно так же некоторые двигатели имеют остаточный магнетизм, который исключает внешнее возбуждение, необходимое для создания магнитного потока.

В большинстве электромобилей электродвигатель подключен только к единственному ведущему мосту (чаще всего к заднему мосту). В этом случае нам необходимо использовать механическую тормозную систему (гидравлическое торможение) для передних колес. Это означает, что контроллер должен поддерживать координацию между механической и электронной тормозной системой при торможении.

Стоит ли внедрять рекуперативное торможение во все электромобили?

Потенциал рекуперации энергии в концепции метода рекуперативного торможения не подлежит сомнению, но он имеет и некоторые ограничения. Как отмечалось ранее, скорость, с которой аккумуляторы могут заряжаться, медленнее по сравнению со скоростью, с которой они могут разряжаться. Это ограничивает количество рекуперируемой энергии, которую аккумуляторы могут хранить во время резкого торможения (быстрого замедления). Не рекомендуется использовать рекуперативное торможение при полностью заряженном аккумуляторе. Это связано с тем, что перезарядка может повредить аккумуляторы, поэтому электронная схема электромобиля должна предотвращать перезарядку. Если дополнительно к аккумуляторной у электромобиля имеется и батарея конденсаторов, то она в данном случае может хранить энергию и способствовать увеличению дальности действия электромобиля.

Мы знаем, что кинетическая энергия равна 0,5*m*v2. Количество энергии, которую мы можем получить, зависит от массы транспортного средства, а также скорости, с которой оно движется. Общая масса больше у тяжелых транспортных средств, таких как электромобили, электрические автобусы и грузовики. Таким образом, во время торможения доступная кинетическая энергия у них больше по сравнению с электрическим скутером, движущимся с той же скоростью. Поэтому эффективность рекуперативного торможения выше в электромобилях, автобусах и других тяжелых транспортных средствах. Хотя немногие электрические скутеры имеют функцию рекуперативного торможения, ее влияние на систему (количество возвращаемой энергии или увеличенный запас хода) не так эффективно, как в электромобилях.   

Потребность в банках конденсаторов или ультраконденсаторах

Во время торможения нам необходимо мгновенно остановить или снизить скорость автомобиля. Поэтому операция торможения в этот момент происходит в течение короткого времени. У аккумуляторов есть ограничение на время зарядки, поэтому мы не можем подавать на них большое количество энергии за короткое время, так как это приведет к ухудшению качества аккумуляторов. Кроме того, частая зарядка и разрядка аккумулятора также сокращает срок его службы. Чтобы избежать этого, мы добавляем в систему электропитания электромобиля батарею конденсаторов или ультраконденсаторы. Ультраконденсаторы или суперконденсаторы могут разряжаться и заряжаться в течение многих циклов без какого-либо ухудшения производительности, что помогает продлить срок службы основной аккумуляторной батареи. Ультраконденсатор имеет быстрый отклик, что помогает эффективно улавливать пики/скачки энергии во время рекуперативного торможения. Причина выбора ультраконденсатора заключается в том, что он может хранить в 20 раз больше энергии, чем электролитические конденсаторы. В этой системе находится преобразователь постоянного тока в постоянный. Во время ускорения операция повышения позволяет конденсатору разряжаться до порогового значения. Во время замедления (т.е. торможения) понижающий режим позволяет конденсатору заряжаться. Ультраконденсаторы имеют хорошую переходную характеристику, что полезно при запуске автомобиля. Сохраняя восстановленную энергию отдельно от аккумулятора, это может помочь увеличить запас хода автомобиля, а также поддержать его резкое ускорение.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
8 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *