Рекуперация электроэнергии

Система рекуперации на автомобилях со «Старт-Стопом»

Любому автомобилисту известно, что при запуске двигателя происходит наибольший расход энергии аккумулятора. Транспортные средства, оборудованные системой «Старт-Стоп», отличаются тем, что после каждой остановки мотор автоматически глушится и потом при возобновлении движения заводится. То есть, батарея быстро теряет свою емкость и «требует» подзарядки. А времени, чтобы это сделать (с помощью штатного генератора) в условиях коротких пробегов и частых остановок на светофорах и в пробках, может просто не хватить. И вот тут электрическая система рекуперации смогла бы обеспечить дополнительный заряд аккумулятора. Существенным минусом ее применения на автомобилях «Старт-Стоп» является удорожание самого транспортного средства за счет установки специального генератора (подключаемого непосредственно к трансмиссии в момент торможения) и усложнение всей электронной «начинки».

Применение рекуперации в транспорте

При работе электротранспорта происходит рекуперация энергии электрического тока. Для каждого из видов транспорта существуют свои конструктивные нюансы.

В электромобилях и электровелосипедах

Электровелосипед, как и частный электромобиль, хотя и оснащен такой системой обратного возврата электроэнергии на аккумулятор, обладает низким КПД. Электропривод этих средств передвижения потребляет энергию при движении. Поскольку режим торможения очень редок и кратковременен, то доля возвращённого электричества мала. С её помощью лишь увеличивают расстояние пробега на одной зарядке АКБ.

Электрокар BMW i3

На железной дороге

Тяговые двигатели электровозов при рекуперации переходят в режим генерирования электроэнергии, которая снова возвращается в сеть.

Важно! Применение в системе рекуперации ШИМ-контроллера взамен контакторов позволяет вернуть энергию в любую сеть: постоянного или переменного тока. Контроллер работает в двух режимах

При движении он выпрямляет ток, при торможении, определив частоту и фазу сети, – отдаёт электричество.

В метро

При рекуперации электроэнергии в подземке правильно подобранный график движения поездов даёт значительную экономию. Чередование разгона и торможения поезда можно синхронизировать с несколькими составами на разных ветках и возвращать энергию в сеть по максимуму.

Применение рекуперативной энергии в метро

В городском общественном транспорте

Все модели троллейбусов и трамваев снабжены подобной системой торможения и возврата энергии. Существует ограничение по нижней границе скорости торможения. Она составляет 1-2 км/ч. Далее в работу вступают стояночные механические тормоза.

В Формуле-1

В 2014 году регламент Формулы-1 подразумевал переход на турбо моторы с системой (ERS). Это двойная рекуперация, в результате которой используют и кинетическую при торможении, и тепловую энергию выхлопа. При этом используют модули ERS-K и ERS-H. В систему включены два дополнительных генератора: MGU-K и MGU-H. Буквой К и Н маркируют кинетическую и тепловую энергию, соответственно.

Рекуперация в автомобиле

При движении на автомобиле, особенно в условиях города, почти постоянно приходится разгоняться и тормозить. При разгоне мощность мотора тратится на увеличение скорости, а при торможении кинетическая энергия разогнавшегося авто просто теряется. Вот для того, чтобы частично ее использовать, существует система рекуперации энергии, благодаря которой осуществляется зарядка АКБ.

Наиболее простым способом это реализуется на гибридном автомобиле. При обычном режиме движения вспомогательный ДВС вращает генератор. Тяговые моторы получают от него питающее напряжение и крутят колеса. Когда машина тормозит, то генератор отключается, и уже колеса крутят тяговые моторы, а они начинают работать как генератор и вырабатывают электроэнергию, которая сохраняется аккумулятором. Вот таким образом в системе рекуперации, энергия торможения становится электроэнергией.

Подобный подход к использованию торможения возможен не только на гибридном автомобиле. Например, на многих машинах семейства bmw реализуется аналогичный способ, только несколько измененный. На некоторых моделях bmw при разгоне генератор не работает, что позволяет уменьшить нагрузку на двигатель, а также снизить потребление горючего. Когда же водитель начинает процесс торможения, то подключается генератор и начинает подзарядку АКБ.

Применение подобным образом рекуперации энергии торможения в автомобиле, для зарядки аккумуляторов, с питанием от них в дальнейшем бортовой электроники, достаточно традиционно. Как уже отмечалось, это позволяет добиться экономии топлива и повысить динамические характеристики, за счет расходования мощности двигателя исключительно на движение. Однако, это не единственный подход, который реализуют изготовители для рационального использования энергии на автомобиле в процессе торможения.

Эффективность

Здесь все куда интереснее. Эффективность рекуперативного торможения — это показатель того, насколько система способна увеличить запас хода транспортного средства.

Как вы, наверное, уже догадались, показатель значительно варьируется в зависимости от факторов, включая условия движения, местность и размер транспортного средства.

Немалое влияние оказывают условия вождения. Вы увидите значительно лучшую отдачу в городе, где приходится многократно сбрасывать скорость на светофорах или в пробках, чем на шоссе. Ландшафт также играет весомую роль. Подъем в гору не дает вам много шансов на остановку, а вот при спуске для безопасности часто нужно притормаживать, что позволит преобразовать больший объем кинетических запасов. На длинных склонах рекуперативная система может применяться почти без остановок, чтобы регулировать скорость, тем самым заряжая аккумулятор в течении продолжительного промежутка.

Размер транспортного средства может быть самым значительным фактором для данного показателя по той простой причине, что более тяжелые тела содержат в себе гораздо больший импульс и кинетическую энергию. Подобно тому, как большой маховик является более эффективным, четырехколесный автомобиль имеет куда больше кинетической энергии при движении, чем мотоцикл или самокат.

Эффективность системы регенерации в автомобилях

Данные для сравнения могут быть несколько сложными. Машины Tesla выдают мощность рекуперативного торможения в 60 кВт при жесткой остановке, но это не отвечает на более интересный вопрос. Мы хотим знать, сколько энергии мы регенерируем во время поездки, а не насколько сильны наши тормоза каждый раз, когда мы месим педаль.

Для небольших электрических транспортных средств цифры не столь оптимистичны. На многих велосипедах с функцией рекуперативного торможения средним показателем является 4-5% регенерации, максимум 8% в холмистых районах. Другие персональные электромобили, включая самокаты и скейтборды, имеют схожие результаты.

Как мы писали выше, столь небольшие цифры во многом связаны с меньшим весом данных средств. У них просто нет большого импульса и, следовательно, они имеют меньшую кинетическую энергию для преобразования обратно аккумулятор.

А это вообще важно, насколько хорошо работают рекуперативные тормоза?

В индустрии электрических велосипедов регенеративное торможение иногда может использоваться скорее как маркетинговый инструмент, чем как целесообразное нововведение. Поскольку технология, как правило, возможна только в электрических байках с более крупными безредукторными двигателями, то производители таких велосипедов будут обязательно использовать столь эффективную разработку в своих моделях. В то же время компании, выпускающие байки со среднеразмерными приводами и другими редукторными моторами, которые не приспособлены к регенеративному торможению, относят технологию в разряд неэффективных и просто не ставят.

Истина заключается в том, что для небольших и персональных транспортных средств рекуперация не так эффективна, как в крупных электромобилях, однако эта функция все равно имеет множество преимуществ.

Рекуперация также позволяет внести механизм остановки в скейтборды — подвиг, который ранее выполнялся через трение подошвы вашей обуви о тротуар. Данная функция является очень полезной для безопасности в связи с появлением популярных моделей, достигающих скоростей более 30 км/ч.

Еще одним преимуществом регенеративного торможения является продление срока службы обычным тормозным деталям, таким как кабели и тормозные колодки. Постоянное обслуживание и замена данных частей раздражает, а если учесть, что электрические велосипеды и самокаты путешествуют намного дальше и быстрее, чем их не электрические братья, то детали изнашиваются намного раньше.

В конце концов, регенеративное торможение никогда не будет столь полезным в небольших средствах передвижения, как в крупных, просто из-за законов физики. Поэтому отсутствие технологии на электрических велосипедах и других малых EV для личного пользования не есть что-то ужасное. Однако преимущества использования этой разработки, без учета простого перехвата мощностей, нельзя игнорировать. И эй, вы будете получать бесплатный 5%-ный рост диапазона каждый день!

Рекуперативное торможение

Классическое рекуперативное торможение возможно только при независимом или смешанном возбуждении, так как при последовательном не обеспечивается электрическая устойчивость тормоза. При подключении якорей ТМ непосредственно к КС ( рис. 62.66, а) рекуперируемый ток / ( Ет м — С / к С) / 2Я, где в 2Л входят Лт м, RK c на участке до приемника энергии рекуперации и J.
 

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя возможно, если угловая скорость его оказывается выше синхронной. Этот способ торможения может быть осуществлен при управлении, например, двух — или многоскоростными двигателями в случае переключения обмоток статора работающего двигателя с меньшего числа полюсов на большее.
 

Рекуперативное торможение двигателей параллельного возбуждения выполняется в подъемных механизмах при спуске груза и при регулировании скорости вращения изменением тока возбуждения. В промышленных приводах возможности его использования обычно ограниченны.
 

Когда рекуперативное торможение прекратится, селективную рукоятку переводят в положение, соответствующее режиму тяги.
 

Применение рекуперативного торможения на спаренных электровозах производится по тем же правилам, что и для одиночной тяги.
 

Выключение рекуперативного торможения производят перемещением тормозной рукоятки в сторону 1 — й позиции. Когда ток рекуперации будет близким нулю, переводят главную рукоятку в нулевую позицию, а затем окончательно переводят тормозную рукоятку в нулевую позицию и выключают возбудитель. Далее по условиям ведения поезда с целью его остановки или регулирования скорости могут быть применены или автотормоза поезда, или вспомогательный тормоз локомотива.
 

Применение рекуперативного торможения на двух электровозах в составе допускается только при исправной радиосвязи на них.
 

Использование рекуперативного торможения также позволяет уменьшить расход электрической энергии. Тяговые двигатели параллельного возбуждения переходят в режим рекуперативного торможения автоматически при повышении скорости. Электродвигатели последовательного возбуждения не могут работать в режиме рекуперации, поэтому их переводят на независимое возбуждение от специального преобразователя.
 

Для рекуперативного торможения асинхронный двигатель переводится из двигательного в генераторный режим. Для этого необходимо, чтобы скорость вращения ротора стала выше синхронной. В многоскоростном двигателе перевод в генераторный режим происходит при увеличении числа пар полюсов для уменьшения скорости вращения. За время работы машины в генераторном режиме, пока скорость ротора сравняется с синхронной, часть кинетической энергии движущихся масс преобразуется в электрическую и возвращается в сеть, что является достоинством этого метода торможения. Недостаток состоит в том, что его нельзя применить при скорости вращения ротора меньше синхронной.
 

Процесс рекуперативного торможения происходит без подмагничивания дросселя насыщения, поскольку по его обмоткам 1ОДН и ЗОДН ток не протекает. При таких условиях обеспечивается значительная величина замедления.
 

Направление электромагнитных моментов в режимах.| Механические характеристики двигателей независимого и параллельного возбуждения.

Особенностью рекуперативного торможения является то, что двигатель становится генератором, работающим на сеть.
 

Характеристики рекуперативного торможения показаны на фиг.
 

Режим рекуперативного торможения при работе машины как асинхронного генератора выше синхронной скорости применяется главным образом в короткозамкнутых двигателях с переключением полюсов.
 

Применение рекуперативного торможения па некоторых горных участках позволяет на 15 — 20.6 снизить расход электроэнергии на тягу поездов. Безопасность движения при использовании электрического торможения возрастает благодаря повышению гибкости управления движением поезда на спусках, так как появляется возможность не применять воздушное торможение или увеличивать время зарядки автотормозов после его применения.
 

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

Применение рекуперации в транспорте

Принцип работы электродвигателя

Этот метод торможения используется много лет. В зависимости от вида транспорта, его применение имеет свои особенности.

В электромобилях и электровелосипедах

При движении по дороге, а тем более, по бездорожью электропривод почти всё время работает в тяговом режиме, а перед остановкой или перекрёстком – «накатом». Остановка производится, используя механические тормоза из-за того, что рекуперация при малых скоростях неэффективна.

Кроме того, КПД аккумуляторов в цикле «заряд-разряд» далёк от 100%. Поэтому, хотя такие системы и устанавливаются на электромобили, большую экономию заряда они не обеспечивают.

Схема рекуперации в автомобиле

На железной дороге

Рекуперация в электровозах осуществляется тяговыми электродвигателями. При этом они включаются в режиме генератора, преобразующего кинетическую энергию поезда в электроэнергию. Эта энергия отдаётся обратно в сеть, в отличие от реостатного торможения, вызывающего нагрев реостатов.

Рекуперация используется также при длительном спуске по склону для поддержания постоянной скорости. Этот метод позволяет экономить электроэнергию, которая отдается обратно в сеть и используется другими поездами.

Раньше этой системой оборудовались только локомотивы, работающие от сети постоянного тока. В аппаратах, работающих от сети переменного тока, есть сложность с синхронизацией частоты отданной энергии с частотой сети. Сейчас эта проблема решается при помощи тиристорных преобразователей.

Режим рекуперации поезда

В метро

В метрополитене во время движения поездов происходит постоянный разгон и торможение вагонов. Поэтому рекуперация энергии даёт большой экономический эффект. Он достигает максимума, если это происходит одновременно в разных поездах на одной станции. Это учитывается при составлении расписания.

В городском общественном транспорте

В городском электротранспорте эта система устанавливается практически во всех моделях. Она используется в качестве основной до скорости 1-2 км/ч, после чего становится неэффективной, и вместо неё включается стояночный тормоз.

В Формуле-1

Начиная с 2009 года, в некоторых машинах устанавливается система рекуперации. В этом году такие устройства ещё не давали ощутимого превосходства.

В 2010 году такие системы не использовались. Их установка с ограничением на мощность и объём рекуперированной энергии возобновилась в 2011 году.

Основные сведения

Электрическое
торможение применяют только в
электроприводах судовых грузоподъемных
механизмов, с целью «сброса» скорости
перед срабатыванием основного тормоза.
Тем самым облегчается работа основного
тормоза, а именно: уменьшаются износ
тормозных колодок и их нагрев.

Кроме
того, электрическое торможение ограничено
применяют в некоторых сиcтемах
судовой электроавтоматики, например,
авторулевых типа АТР, АИСТ и др.

Различают
5 видов электрического торможения
асинхронных двигателей:

1. динамическое;

2. рекуперативное;

3. торможение
   противовключением при активном
   статическом моменте;

4. торможение
   противовключением при реактивном
   статическом моменте.

5. однофазное.

Из
всех видов торможения на судах чаще
всего применяется рекуперативное (в
электроприводах грузоподъемных
механизмов)

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 , .