Maksim0203 › Блог › Система рекуперативного торможения

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

В системе рекуперативного торможения для замедления применяется электрический двигатель, включеный в трансмиссию автомобиля. При торможении электрический двигатель начинает работать в генераторном режиме, на валу мотора создается тормозной момент и вырабатывается электроэнергия, которая сохраняется в аккумуляторной батарее.

Запасенная электроэнергия применяется в дальнейшем для движения автомобиля.
Использование системы рекуперативного торможения обеспечивает самую большую отдачу от каждого заряда батареи аккумулятора и высокую топливную экономность. Рекуперативное торможение лучше всего на передней оси автомобиля, т.к. до 70% кинетической энергии при торможении приходится собственно на переднюю ось.
Результативность системы рекуперативного торможения существенно уменьшается на невысоких скоростях движения автомобиля. Благодаря этому для доведения автомобиля до полной остановки применяются обычные фрикционные тормоза.

Сотрудничество 2-ух систем расположена под управлением электроники.
Отдельный электронный блок управления реализует такие функции:
контроль частоты вращения колес;
— поддержание тормозного момента электрического двигателя, нужного для замедления автомобиля;
— перераспределение тормозного усилия на фрикционную тормозную систему;
— поддержание крутящего момента, нужного для зарядки батареи аккумулятора.
В этой 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.
В работе электронная система рекуперативного торможения взаимодействует с антиблокировочной системой тормозов, системой распределения тормозных усилий, системой курсовой стойкости, усилителем экстренного торможения.
Система рекуперации кинетической энергии
Кроме электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие варианты: механический, гидравлический, пневматический. Очень востребованный из них считается механический способ и возведенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS).

В этой системе кинетическая энергия двигающегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для последующего применения при помощи маховика. В отличии от рекуперативного торможения система KERS не создаёт тормозной момент.
Маховик включен в трансмиссию автомобиля, крутится в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 оборотов в минуту. Конструкция обеспечивает энерго сохранения до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.).

Запасенная энергия применяется для краткосрочного скоростного рывка в движении или при трогании с места.
Система KERS используется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового применения использование этой системы только предполагается.

Ближе всех к серийному использованию системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.
Cистему KERS предлагается применять во время движения автомобиля в городском цикле. При торможении автомобильный двигатель отключается, маховик раскручивается и запасает энергию.

При трогании с места применяется энергия маховика, автомобиль трогается, а мотор запускается уже в движении.
По заявлениям Volvo использование системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение топливного расхода на 20% и уменьшение вредных выбросов.

Рекуперация или переустройство кинетической энергии торможения

С момента выхода в свет Toyota Prius ударило уже за 20 лет, и с той поры идея рекуперативного(регенеративного) торможения стала достаточно популярной, как метод увеличения дальности пробега в гибридных и электрических транспортных средствах. Но знаете ли вы, что использование не исчерпывается EV автомобилями? Сейчас вы можете найти ее во всем, в том числе велосипедах, скейтбордах и самокатах.

(презентация системы рекуперации энергии в bmw)
Попробуем разобраться, как работает такая технология, насколько она продуктивна в самых разных средствах передвижения и умно ли везде ее ставить.

Рекуперативное торможение

Что такое рекуперативное торможение

recovery of the pendulum

Двигающиеся объекты обладают кинетической энергетикой, а когда используется тормоз для замедления, всей этой мощи нужно куда-то идти.
Вернемся немного в прошлое, старые времена эры неандертальцев или же просто машин с ДВС.

В подобных автомобилях тормоза построены только на трении, благодаря этому при замедлении вся энергия преобразуется в тепло, а это означает уходит в никуда, просто теряется во внешней среде.
Но мы все же эволюционировали и нашли пути предпочтительней. Регенеративное торможение применяет мотор электромобиля в качестве генератора для изменения ключевой доли кинетической энергии, теряемой при замедлении, назад в батарею.

В следующий раз, когда машина убыстряется, она расходует часть энергии, раньше сохраненную от рекуперативного торможения.

Система рекуперации энергии торможения

(Регенеративная система bmw i3)
Нужно усвоить, что регенеративное торможение не считается магическим увеличителем диапазона пробега электромобилей.

Оно не выполняет машины очень эффектными как таковые, а просто их делает менее малоэффективными. Как правило, наиболее подходящим вариантом езды будет разгон до постоянной скорости, а потом никогда не касаться педали тормоза. Так как чтобы замедлиться, а потом опять вернуться к прошлой скорости, понадобятся лишние расходы сил, то вы получите куда высокий диапазон хода, первым делом просто не замедляясь.

Но, понятно, что это не реально. Так как нам приходится уменьшать скорость неоднократно, рекуперация — это следующий прекрасный вариант, так как она выполняет данный процесс менее бесполезным.

Насколько выгодно рекуперативное торможение

Чтобы адекватно оценить эту технологию, нам необходимо взглянуть на два различных параметра: КПД(КПД) и результативность. Не обращая внимания на кажущееся сходство, они очень непохожие. КПД говорит про то, с каким успехом захватывается «потерянная» мощность торможения.

Все преобразовалось в тепло или получилось перевести кинетический потенциал в необходимое русло? С другой стороны, результативность относится к тому, как максимально влияет регенеративное торможение на длину пути.

Существенно ли становится больше ваш диапазон, или вы даже не увидите существенной разницы?
(визуализация работы системы рекуперация энергии торможения в машинах VW — Volkswagen)

Никакая машина не способна добиться коэффициента полезного действия в 100% (без нарушения законов физики), так как любая энергопередача неминуемо за собой повлечет потерю в форме тепла, света, шума и т. д. КПД процесса зависит от большого количества самых разных факторов, например как мотор, батарея и контроллер, однако нередко значение ценится в районе 60-70%. По словам Tesla, их технология в большинстве случаев теряет 10-20% кинетического потенциала при попытке его завоевать, а потом еще 10-20% при преобразовании отложенных запасов назад в ускорение.

Это довольно типовые числа для ключевой массы электрических ТС, включая машины, грузовые автомобили, велосипеды, самокаты и т. д.
Напомним, что эти 70% не говорят нам, что регенеративное торможение даст 70% -ный рост пути от одного заряда.

Технология не приводит к увеличению диапазона от 100 км до 170 км. Это лишь значит, что 70% кинетической энергии, потерянной во время торможения, может быть опять возвращено.

Благодаря этому рассмотрение лишь КПД системы мало что означает. Что должно нас больше вызвать интерес, так это результативность рекуперативного торможения.

Результативность

Тут все намного интереснее. Результативность рекуперативного торможения — это критерий того, насколько система способна расширить запас хода автотранспортного средства.
Как вы, наверняка, наверняка поняли, критерий существенно варьируется в зависимости от факторов, включая условия движения, окрестность и размер автотранспортного средства.

Большое влияние оказывают условия вождения. Вы сможете увидеть существенно лучшую отдачу в городе, где приходится неоднократно сбрасывать скорость на светофорах или в пробках, чем на шоссе.

Ландшафт тоже играет весомую роль. Подъем в гору не предоставляет вам много шансов на остановку, а вот при спуске для безопасности часто необходимо подтормаживать, что даст возможность изменить больший объем кинетических запасов. На длинных склонах рекуперативная система может использоваться практически без остановок, чтобы настраивать скорость, таким образом заряжая аккумулятор в течении длительного промежутка.

Размер автотранспортного средства может быть самым существенным аргументом для этого показателя по той простой причине, что более тяжёлые тела в себе содержат намного больший импульс и кинетическую энергию. Сродни тому, как большой маховик считается более практичным, четырехколесный автомобиль имеет куда больше кинетической энергии во время движения, чем мотоцикл или самокат.

Результативность востановительные системы в автомобилях

Данные чтобы сравнить могут быть несколько непростыми. Машины Tesla предоставляют мощность рекуперативного торможения в 60 кВт при жёсткой остановке, однако это не отвечает на очень интересный вопрос.

Мы хотим знать, сколько энергии мы регенерируем в поездке, а не насколько сильны наши тормоза каждый раз, когда мы месим педаль.
На счастье, ряд водителей Tesla смогли сосчитать возврат энергии, применяя разные приложения для отслеживания данных.

Хозяева Model S сообщили о возмещении около 32% от всего энергопотребления в момент подъема, а потом спуска на холмистой местности. Аналогичным образом, при подобном коэффициенте ход возрастает со 100 до 132 км. Другой хозяин рассказал о регенерации 28% энергии (форум на датском языке).

Другие же пишут, что во время обыкновенных поездок возвращается в среднем 15-20% от всего употребления.
Иные автомобильные производители также применяю эту систему в собственных машинах.

К примеру Audi говорит, что технология рекуперативного торможения, поставленная в Audi Q7 даст возможность сэкономить до 3% топлива. Однако если брать только электромобили, то компания обещает увеличение длины пути на 30% в их будущей модели Audi e-Tron.

Результативность рекуперативного торможения в велосипедах, самокатах, скейтбордах и остальных персональных EV

Для маленьких электрических ТС цифры не очень оптимистичны. На многих велосипедах с функцией рекуперативного торможения средним критерием считается 4-5% регенерации, максимум 8% в холмистых районах.

Иные персональные электромобили, включая самокаты и скейтборды, имеют схожие результаты.
Как мы писали выше, столь маленькие цифры в большинстве случаев связаны с маленьким весом этих средств.

У них попросту нет большого импульса и, поэтому, они имеют меньшую кинетическую энергию для изменения обратно аккумулятор.

А это вообще важно, насколько выгодно работают рекуперативные тормоза?

Система рекуперации энергии торможения

В индустрии электрических велосипедов регенеративное торможение иногда может применяться скорее как инструмент маркетинга, чем как целесообразное новшество. Так как технология, в основном, возможна только в электрических байках с более большими безредукторными двигателями, то производственники подобных велосипедов будут обязательно применять столь эффективную разработку в собственных моделях. В то же время компании, выпускающие байки со среднеразмерными приводами и прочими редукторными моторами, которые не приспособленые к регенеративному торможению, относят технологию в разряд малоэффективных и просто не ставят.

Истина состоит в том, что для маленьких и персональных ТС рекуперация не так эффективна, как в больших электромобилях, впрочем данная функция все равно имеет очень много хороших качеств.

Система рекуперации энергии торможения

Одним из очень важных достоинств разработки можно назвать использование в виде еще одной замедляющей силы для маленьких персональных EV. Например, электросамокат Xiaomi M365 для переднего моторного колеса применяет только остановку регенерацией, тогда как для заднего колеса применяется обычный дисковый тормоз.

Это значит, что самокат имеет два независимых элемента замедления хода с одним рычажком управления для их активации, что уменьшает цену, вес и сложность сборки.
Рекуперация также позволяет внести механизм остановки в скейтборды — подвиг, который раньше выполнялся через трение подошвы вашей обуви о тротуар.

Эта функция является максимально полезной для безопасности в связи с возникновением распространенных моделей, достигающих скоростей более тридцати километров/ч.

Система рекуперации энергии торможения

Дополнительным плюсом регенеративного торможения считается увеличение служебного срока обыкновенным тормозным деталям, таким как кабели и тормозные колодки. Постоянное обслуживание и замена этих частей раздражает, а если взять во внимание, что электрические велосипеды и самокаты путешествуют еще дальше и быстрее, чем их не электрические братья, то детали снашиваются гораздо до недавнего времени.
В конце концов, регенеративное торможение никогда не будет столь полезным в маленьких средствах передвижения, как в больших, просто из-за законов физики.

Благодаря этому отсутствие технологии на электрических велосипедах и остальных малых EV для собственного пользования не есть что-то страшное. Впрочем плюсы применения этой разработки, без учета обычного перехвата мощностей, не нужно игнорировать.

И эй, вы получите бесплатный 5%-ный рост диапазона повседневно!

Рекуперация: и дать, и взять

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

Еще до возникновения легковых гибридов рекуперативное торможение широко использовали в тяжелой колесной и рельсовой технике, работающей на электрической тяге. К примеру, троллейбусы, трамваи, электропоезда передают вырабатываемое при торможении в контактную сеть электричество, которое потом можно еще раз применять.

Термин «рекуперация» случился от латинского recuperatio (обратное получение) и значит возвращение некоего количества вещества или энергии для применения в том же технологичном процессе.
К примеру, есть рекуперация тепла в вентиляционных системах, когда удаляемый из помещения воздух подогревает поток, нагнетаемый в середину. Или рекуперация дорогих камней или металлов, которые вынимают из отработавших ресурс инструментов, возрождают и вновь пускают в производство.

В транспортных же машинах, в том числе в автомобилях, нередко встречается рекуперация электроэнергии.

Как оно работает

Наиболее простой пример конструкции, позволяющей возвращать энергию, — умный генератор. При интенсивном разгоне он выключается, чтобы разгрузить мотор, — стало быть, сокращается расход топлива и кол-во вредных выбросов.

Потребители электричества в данное время вытягивают энергию из аккумулятора. Шофер убирает ногу с педали газа — генератор вновь подсоединяется и пополняет заряд батареи, а автомобиль экономит до 3% горючего.

Направление энергетических потоков при рекуперации. При разгоне электричество поступает из батареи в электрический двигатель, где превращается в энергию механического типа для вращения колес.

Намного больше пользы приносит рекуперация в гибридных и электрических моделях. Здесь электрический мотор делает 2 функции — движущей силы и генератора.

Разгоняя автомобиль, он потребляет электричество, а при замедлении видоизменяет энергию механического типа в электрическую. Стоит выпустить педаль акселератора, как электроны начинают двигаться назад — и батарея заряжается.

При торможении колеса раскручивают электрический мотор, тот переходит в режим генератора и отдает электрическую энергию назад в батарею.

У подобных машин тормозная система, как и силовая установка, — гибридная. Бессменная гидравлика, приводящая в действие колесные механизмы, работает в большинстве случаев при интенсивном замедлении, а при плавном (до 0,2–0,3g) применяется говоря иначе рекуперативное торможение.

Электрический двигатель переходит в режим генератора, обмотки статора отдают ток в аккумуляторную батарею, что делает тормозной момент, заставляющий автомобиль останавливаться. Чем сильнее шофер давит на тормоз, тем выше противодействующий момент — и тем интенсивнее автомобиль замедляется, а электрический мотор заряжает батареи.

Аналогичным образом, рекуперация дает возможность не только экономить горючее (приблизительно 5–10%), но также и в полтора-два раза реже менять тормозные колодки.
Очень высокая энергоотдача в батарею происходит и например если селектор режимов движения переведен в положение B (Brake).

При этом автомобиль лучше тормозит двигателем, благодаря этому на горной дороге быстрее пополнится запас электричества в аккумуляторных батареях, а диски тормозов и колодки не перегреются.

Применение

Принцип рекуперации пытаются применять в автомобилях Формулы 1: исключительный случай, когда технологию опробовали на серийных машинах, а потом рекомендовали королеве автоспорта. Правда, конструкции как говорят иначе KERS (Kinetic Energy Recovery System — система возврата кинетической энергии) тут более изощренные. Большинство команд применяют электрическую рекуперацию.

У «Вильямса» в коробку вмонтирован сверхкомпактный маховик, который раскручивается при торможении, накапливая энергию механического типа, чтобы потом отдать ее обратно на колеса:

Сверхкомпактный маховик

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 двигателю на бензине на разгоне помогает 74-киловаттный электрический мотор, вырабатывающий энергию при торможении и дающий возможность проехать на электротяге до пяти километров.

Тормозить и запасать: системы рекуперации в современных машинах

Система рекуперации энергии торможения

Подтверждать необходимость рекуперативного торможения, другими словами такого, при котором энергия машины опять собирается, чтобы быть потом использованной для разгона, никому было не надо. Результативность схемы еще с 60-х годов проверена на ж/д дороге.

Но там применяются электровозы, и энергия сразу возвращается в сеть. Машинам этот метод совсем не подходит ввиду отсутствия на большинстве из них электрических моторов…
А так как машины ездят не по рельсам, то и места торможения и разгона тоже не очень-то поддаются прогнозированию.

Благодаря этому способ, применяемый на некоторых станциях метро, – расположение точек остановки на возвышенностях, что дает возможность разгоняться за счёт запаса возможный энергии и замедляться за счёт подъема, тоже не востребован. Разве что места остановок автобусов классически пытаются располагать на горках.

Маховик в вакууме

Исторически первой системой рекуперации для машин с ДВС стала система с механическим накоплением энергии в крутящемся маховике. Такие системы использовались по большей части на технике для строительных работ, где большие крутящиеся части применялись как накопитель энергии, а передача мощности шла через гидравлические или электросистемы.

Система рекуперации энергии торможения

Но область использования подобного рода технологий оставалась не широкой – первым делом это были большие экскаваторы и краны, часто портовые. Сделать систему очень компактной и установить на легковой автомобиль просто никому не приходило в голову, разный способ реализации упирался в небольшую цену энергии и большую стоимость устройства.
При цене нефти менее 4 долларов за баррель вводить что-то похожее на транспорте никому не приходило в голову, и даже после первых нефтяных кризисов запас по модернизации ДВС с избытком закрывал потребности в экономии топлива.

Компания Volvo даже испытывала систему на модели 260 в первой половине 80-ых годов XX века, но мощность порядка 10 киловатт со стальным маховиком не оправдали ожиданий, и программа была свернута.

Энергия торможения — hi-tech

Скачок технологий в 80-е годы позволил создать намного лучше системы накопления энергии на маховике, устранив главную проблему – вероятность взрывного разрушения маховика. Решили проблематику просто: выполнили маховик из нитей, которые при разрушении просто его тормозили.

А помещение его в вакуумный контейнер и применение газовых подшипников дало возможность запасать энергию на очень большой срок, до нескольких суток, хотя большинство систем такого типа рассчитаны на короткий цикл работы, от поступления энергии на маховик до ее расходования проходит пару минут либо даже секунд.
Так работает, к примеру, гоночная система KERS в Формуле-1. Есть и практические варианты ее реализации на условно серийных машинах, к примеру на Porsche и Ferrari.

Но в работе, вероятнее всего, распространения подобная система не получит. Наряду с подобными хорошими качествами, как достаточно высокая емкость и высокая мощность накопления, в числе минусов останутся и гироскопический эффект, и очень большие потери как в приводе, так и в самой подвеске маховика. Как итог – область использования такой технологии так и осталась узкоспецифичной, и пока перспектив к изменению ситуации не видно, развитие чисто электрических методов накопления энергии пока идет лучше, а выдающаяся удельная мощность маховиков-накопителей пока не пригодилась.

Вероятное превосходство в надежности системы тоже навряд ли будет популярно, надежность и простота в настоящий момент не в почете. Единственным на самом деле многообещающим и массовым направлением для этой технологии остаются автобусы. К примеру, Optare Solo с маховичным накопителем FlyBus или развозные грузовые автомобили и мусоровозы, делающие остановки спустя каждые пару сотен метров.

Система FlyBus или FlyBrid в версии «для абсолютно всех» выполнена инжиниринговой компанией Rikardo в партнерстве с компанией Torotrak, разработчиком тороидальных вариаторов внушительной мощности.
И здесь опять на горизонте возникает компания из Швеции.

В версии, которую применяли на Volvo S60 в 2011 году, мощность системы составила 80 киловатт, масса – 60 килограммов, а обороты маховика – порядка 60 тысяч оборотов за минуту. Судя по данным свойствам, вполне возможен рост мощности системы до «спортивных» величин, ведь обороты роторов могут быть даже выше 100 тысяч за минуту, но снова же, если судить по отсутствию гибрида в модельной гамме компании, эксперименты с легковыми машинами сочли неудачными.

Жидкость и газ под давлением

Несколько перспективнее смотрится система пневмогидравлической рекуперации, наиболее популярной у нас как Peugeot Hybrid Air. Она считается хорошо отработанной схемой, хотя по настоящему существующие с ней машины не так уж известны широко.

Это прежде, всего… мусоровозы.

Десятки машин с системой Bosch и Eaton уже больше десяти лет используются в Америке, и их гибридный привод проявил себя как хороший и дешевый. Смысл работы данной установки состоит в возможностях гидромотора, который при торможении закачивает жидкость для работы в большой мембранный бак – трубу со сжатым газом.

При разгоне машины газ вытесняет жидкость, жидкость крутит тот же гидромотор и помогает экономить горючее. В системе нет дорогих аккумуляторов, и ресурс ее весьма велик. Мощность гидромоторов тоже велика, а цена, наоборот, очень невысокая.

Одна закавыка: мембранный бак имеет большие размеры и массу, и по настоящему его энергии хватает на один-два цикла разгона и торможения, пробег без включения ДВС составляет всего пару километров для легковой машины и сотни метров для грузовика. Во время использования на автобусах или мусоровозах подобная система дает возможность полноценно отказаться от применения классических тормозных механизмов, гидромотор может замедлить машину аж до полной остановки. В этом пневмогидравлический рекуператор даже превышает электрические системы, те при небольшой частоты вращения колес уже малоэффективны.

Еще одним преимуществом считается возможность запасти энергию надолго, на часы и дни. В отличии от маховиков, которые уже через десятки минут теряют солидную часть запасенной мощности.

К большому сожалению, масштабные планы компании Peugeot были холодно восприняты новыми акционерами из китайской Dongfeng, а еще партнерами по разработке системы из Ford. Но если судить по новостям, собственно китайские грузовые автомобили Dongfeng могут быть следующими массовыми носителями такой технологии.

Электроторможение с рекуперацией

Основным соперником данных несомненно интересных, но обладающих большим количеством ограничений схем выступает уже традиционная электросхема с электрическим мотором, аккумуляторами или суперконденсаторами.
Простое электрическое торможение и рекуперация хороши уже тем, что применяются на ж/д дороге около 60 лет и отработаны до мелочи.

Все конструктивные схемы с синхронными, асинхронными и коллекторными двигателями давно известны и рассчитаны. Энергия подается назад в питающую сеть, запасается в аккумуляторы или суперконденсаторы и может быть применена через долгое время.

Главная беда электрических тормозов в том, что они плохо совмещаются с ДВС, и для хорошего применения электрической энергии понадобилось соединить обыкновенный мотор внутреннего сгорания и всю атрибутику электромобиля – аккумуляторы и тяговый электрический двигатель – в одном механизме. Получившиеся гибриды в большинстве случаев так и именуют просто «гибридами». И не обращая внимания на сложность и высокую массу такой схемы, в этот фактор она считается единственной серийно применяющейся в легковом машиностроении и уже очень распространенной.

Гибриды на сегодняшний день оказываются самым многообещающим направлением развития автомобилей с точки зрения снижения топливного расхода, а прогресс в разработке батарей аккумулятора и развитие называемых по другому «подзаряжаемых гибридов», по существу являющихся промежуточным звеном между чистыми электромобилями и гибридами, их делает основным элементом в эволюции личного автомобильного транспорта.
Во второй половине 90-ых годов XX века вышла первая серийная Toyota Prius, которая остается на сегодняшний день наиболее востребованной гибридной машиной и законодателем мод в собственном классе.

В ее схеме решили применять электрические моторы небольшой мощности и дешевую никель-металлгидридную аккумуляторную батарею также небольшой мощности, а для компенсации данных недостатков наделили машину самой сложной трансмиссией с большим количеством рабочих режимов ДВС, электрического двигателя и генератора. Успех данной схемы сильно оказал влияние на развитие аналогичных технологий у иных изготовителей.

В настоящий момент число моделей машин с гибридным приводом перевалило за два десятка.

Что такое рекуперация торможения в электромобилях

Дата статьи: 25 октября 2018 .
Категория: Автотехника.
Тормоза являются неотъемлимой частью любого автомобиля. От их хорошей работы в большинстве случаев зависит безопасность движения. Впрочем, нечасто кто из водителей думал, насколько много энергии расходуется «напрасно» при торможении.

От трения тормозных колодок о диски выделяется большое количество тепла, которое просто уходит на обогрев окружающего воздуха. А что если эту энергию накоплять и применять еще раз?

Все возможно и процесс этот называют рекуперацией (другими словами, выборочный возврат энергии). Подобные системы уже очень давно устанавливают во время изготовления «гибридов» и электромобилей.

В нашей обзорной статье мы попытаемся коротко рассказать о самых разных способах рекуперации.

Разновидности систем рекуперации энергии

По способу возврата энергии торможения отличают три главных разновидности систем такого типа:

  • электрические;
  • механичные;
  • гидравлические.

Первые на данный момент достаточно повсеместно используют на обыкновенных легковых автомобилях (по большей части, гибридных и электрических). Вторые применяют лишь для спортивных болидов.

Третьи в наше время находят использование на большегрузных коммерческих грузовиках и городских автобусах.

Система рекуперации на «гибридах» и электромобилях

На данных автомобилях устанавливают электрические системы возврата энергии. Как это работает? Сначала немного теории.

Любой электрический двигатель постоянного тока при подаче на него напряжения начинает вращаться и работать как мотор. Если же раскрутить его вал механическим способом, то на клеммах вырабатывается напряжение. Другими словами, электрический мотор как правило выполняет одновременно 2 функции: в первом варианте мотора, а в другом генератора.

Данный принцип и лег в основу электрических систем рекуперации энергии, который успешно реализуют на электро- и гибридных автомобилях. Ведь и те и остальные с самого начала оснащены электрическими двигателями, которые очень легко перевести в режим генератора.

Рабочий принцип систем такого типа весьма прост:

  • При наборе скорости (другими словами при нажатии на педаль газа) электрический двигатель питается от батареи аккумулятора и передает через трансмиссию вращательный момент на автомобильного колеса.
  • В момент торможения встроенная электроника переключает его в режим генератора.
  • Усилие, нужное для его «раскручивания» тормозит вращение трансмиссии и способствует процессу остановки автотранспортного средства.
  • Вырабатываемое мотором/генератором напряжение через специализированный контроллер подзаряжает аккумуляторную батарею. Другими словами, часть энергии получается возвратить для ее дальнейшего применения.
Система рекуперации энергии торможения

Важно! Естественно, при экстренном торможении рекуперативная система не может резко остановить автомобиль. Благодаря этому полностью отказываться от самых обычных конвекционных тормозов нельзя.

Благодаря этому в зависимости от степени нажатия на педаль тормоза встроенный компьютер «принимает решение» и подключает в помощь к рекуперативному торможению типовую тормозную систему автомобиля.

Система рекуперации энергии торможения

Положительными качествами использования электрических систем рекуперации энергии считаются:

  • для электромобилей – увеличение автономности без следующий подзарядки батарей аккумулятора;
  • для гибридных ТС – снижение топливного расхода.

Система рекуперации на автомобилях со «Старт-Стопом»

Любому автолюбителю известно, что при запуске мотора происходит самый большой энергетический расход аккумулятора. ТС, оснащенные системой «Старт-Стоп», выделяются тем, что после каждой остановки мотор автоматично глушится и затем при возобновлении движения заводится.

Другими словами, батарея быстро теряет собственную емкость и «требует» подзарядки. А времени, чтобы это сделать (при помощи штатного генератора) в условиях коротких пробегов и частых остановок на светофорах и в пробках, может просто не хватить. И вот здесь электросистема рекуперации смогла бы обеспечить дополнительный аккумуляторный заряд.

Значительным минусом ее использования на автомобилях «Старт-Стоп» считается подорожание самого автотранспортного средства за счёт установки специализированного генератора (подключаемого конкретно к трансмиссии в момент торможения) и усложнение всей электронной «начинки».

Система рекуперации энергии торможения

SMART системы рекуперации

Рекуперативная тормозная система SkyActiv-I-Eloop

Как работает эта говоря по другому «умная» система? При разгоне автотранспортного средства, когда мотор испытует очень большие нагрузки, происходит выключение штатного генератора.

Это дает возможность мотору быстрее набрать обороты и потратить 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) автоматично включает генератор, чтобы произвести подзарядку аккумулятора.

Система рекуперации с накопительным конденсатором

Период торможения автомобиля продолжается достаточно небольшое время. Благодаря этому из-за особенностей технологии устройства современных батарей аккумулятора (а точнее химических процессов, происходящих при их подзарядке) сберечь огромное количество энергии в них очень непросто.

Компания Мазда разработала систему рекуперации с применением накопительного конденсатора. В процессе торможения специализированный генератор с напряжением 12?25 В за короткий временной отрезок заряжает емкость.

Дальше энергия которая накопилась через конвертор (DC/DC) превращается в обыкновенные 12 В и поступает либо на самые разнообразные потребители (климатический прибор, CD-плейер и так дальше), либо подзаряжает штатную аккумуляторную батарею. По утверждению изготовителя экономия топлива составляет не менее 10%.

Механическая рекуперация

Механический способ рекуперации кинетической энергии:

  • В момент торможения специализированный маховик, установленый в заполненном вакуумом кожухе (для уменьшения потерь от трения), раскручивается до существенных оборотов (50000?70000 оборотов в минуту).
  • При старте энергия от крутящегося маховика подается на автомобильного колеса в течение нескольких секунд и «помогает» двигателю «разогнать» авто до необходимой скорости. Это приводит к тому, что в момент трогания с места автомобиль получает дополнительные 70?80 лс мощности.
Система рекуперации энергии торможения

Для информации! Испытательный образец Volvo S60 с карбоновым маховиком O=20 см и весом всего 6 кг) разгонялся до скорости в 100 километров в час всего за 5,5 сек. При испытаниях в так называемом городском цикле (с очень приличным количеством остановок) экономия топлива составила 25% (если сравнивать с базовой комплектацией).

На данный момент этот вид рекуперации энергии отыскал собственное использование на практике только в болидах Формулы-1, а также в неповторимых моделях от Porsche и Ferrari. Но инженеры-автомобилестроители думают, что в дальнейшем подобные системы могут стоять и на обыкновенных городских легковых автомобилях.

Водяная система рекуперации

Автомобиль с водяной системой рекуперации энергии оснащен специализированным мотором-помпой и 2-мя гидро аккумуляторами (невысокого и большого давления). Рабочий принцип:

  • При нажатии на педаль тормоза помпа подсоединяется к трансмиссии автомобиля и перекачивает жидкость из гидро аккумулятора малого давления в баллон, который наполнен газообразным азотом (он является своего рода накопителем энергии). Газ при этом сжимается и давление в емкости увеличивается. Усилие, нужное для работы помпы замедляет движение автомобиля и «помогает» его остановить.
  • До той поры, пока шофер опять не нажмет на педаль газа, жидкость остается под давлением в аккумуляторе. Потом она поступает в мотор-помпу и передает (через трансмиссию) сохраненную энергию на автомобильного колеса.
Система рекуперации энергии торможения

Разработчики говорят, что применение систем такого типа рекуперации позволяет «вернуть» в автомобиль до 80% энергии, в большинстве случаев которая тратится «напрасно» при торможении. Впрочем существенные размеры и вес добавочного оборудования, которое следует установить на автомобиль для реализации подобной системы рекуперативного торможения, ограничивают ее использование.

Благодаря этому на данный момент ее используют исключительно на большегрузных транспортных средствах и общественном общественном транспорте, работающим в режиме частых остановок и восстановления движения.