Но зато радиаторы можно установить на любом отдалении друг от друга, так что вытяжной и приточный каналы не обязательно прокладывать рядом.

Фреоновый

Здесь также имеется контур с двумя радиаторами, но циркуляционный насос не требуется. Работает рекуператор так: фреон в нижнем радиаторе, расположенном в вытяжном канале, закипает, испаряется и в виде пара поднимается в радиатор, расположенный в приточном канале; здесь он отдает полученное тепло и конденсируется, после чего стекает в жидком виде обратно в нижний радиатор.

Преимущество в сравнении с предыдущим вариантом — в энергонезависимости. Но такой рекуператор может работать только в определенном диапазоне температур. Кроме того, вытяжной канал должен обязательно располагаться ниже приточного.

Установка

Чтобы иметь возможность установить рекуператор, нужно организовать вентиляционную систему следующим образом: свежий воздух с улицы должен поступать в помещение не в нескольких местах, а по одному общему каналу, который затем может разделяться; точно так же и все вытяжные каналы должны быть объединены в один общий.

Приточный и вытяжной канал должны в каком-либо месте прокладываться рядом (кроме рекуператора с циркулирующим теплоносителем).

Для подсоединения воздуховодов на рекуператоре имеются фланцы. Данное устройство имеет достаточно большие размеры, поэтому в частных домах его стараются располагать на чердаке.

Особенности самостоятельного изготовления

Наиболее простым в изготовлении является пластинчатый рекуператор. Делается он так:

1. Из листового материала нарезаются квадратные пластины размером от 30х30 см. Чем более крупными будут пластины, тем более эффективным получится рекуператор. Лучше всего пластины вырезать из меди, пищевого алюминия или оцинкованной стали. Также можно применить фольгу или бумагу, но рекуператор из таких материалов может жужжать.
2. Далее собирают кассету, укладывая пластины одну над другой с размещением между ними по краям двух прокладок. Стороны, на которых лежат прокладки, чередуют: в одном зазоре они лежат слева и справа, в следующем — спереди и сзади. Прокладки можно вырезать из технической пробки, также в этом качестве может использоваться резиновый шнур. Толщина прокладки должна составлять примерно 3 мм. В качестве клея следует использовать герметик на нейтральной основе. Высота кассеты, то есть количество зазоров между пластинами, подбирается так, чтобы воздух (его расход должен быть известен) двигался через рекуператор со скоростью 1 м/с.
3. Изготовив кассету, нужно сделать корпус для нее. Это квадратный в плане ящик, у которого длина стороны равна диагонали пластин, из которых состоит кассета. В дальнейшем ящик будет утепляться, поэтому его сразу можно изготавливать из пенопласта.
4. В противоположных боковых стенках корпуса нужно сделать по два выреза, к которым затем присоединяются фланцы.
5. Кассета укладывается в ящик с поворотом на 45 градусов, то есть при взгляде сверху будет виден ромб, вписанный в квадрат.
6. После этого корпус накрывается крышкой.

К фланцам подсоединяются воздуховоды. При этом нужно учитывать, что движение воздуха в рекуператоре является перекрестным: если приточный воздуховод на одной стороне подсоединен справа, то на противоположной он должен подсоединяться слева.

Рекуперативное торможение — Википедия

Рекуперативное торможение широко применяется на электровозах, электропоездах, современных трамваях и троллейбусах, где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия передаётся через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции.

Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях, где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов. Некоторые контроллеры двигателей электровелосипедов реализуют рекуперативное торможение.

Проводились также эксперименты по организации рекуперативного торможения других принципов на автомобилях; для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы, гидроаккумуляторы и другие устройства.^[1]

Использование на легковых и грузовых автомобилях[править | править код]

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[править | править код]

В сезоне 2009 года в Формуле-1 на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области гибридных автомобилей 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^[2]: 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 Audi R18 и Toyota TS050 Hybrid, Porsche 919 Hybrid^[en].

Рекуперативным торможением на железнодорожном транспорте (в частности, на электровозах и электропоездах, оборудованных системой рекуперативного торможения) называется процесс преобразования кинетической энергии движения поезда в электрическую энергию тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими в режиме генераторов. Выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть (в отличие от реостатного торможения, при котором выработанная электрическая энергия гасится на тормозных резисторах, то есть преобразовывается в тепло и рассеивается системой охлаждения). Рекуперативное торможение используется для подтормаживания состава в случаях, когда поезд идет по относительно некрутому уклону вниз, и использование воздушного тормоза нерационально. То есть, рекуперативное торможение используется для поддержания заданной скорости при движении поезда по спуску. Данный вид торможения дает ощутимую экономию энергии, так как выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть и может быть использована другими локомотивами на данном участке контактной сети.

Рекуперативное торможение имеет следующие проблемы, которые требуют особого учета при разработке схемы электровоза для их решения:

а) тормозной момент пропорционален не скорости, а разности между скоростью и «скоростью нейтрали», зависящей от настройки системы управления электровоза и напряжения контактной сети. Так, при скорости ниже нейтрали ТЭДы будут тянуть, а не тормозить. Таким образом, при скорости вблизи нейтрали даже небольшие (в процентах) скачки напряжения сети сильно меняют упомянутую разность, а с ней и момент, и приводят к рывкам. Правильное проектирование схемы электровоза снижает этот фактор.

б) при параллельном включении якорей рекуперирующих ТЭД схема может получиться неустойчивой при боксовании и склонной к «сваливанию» в режим, когда один ТЭД работает в моторном режиме, питаясь от второго ТЭДа, работающего как генератор, что подавляет торможение. Решение: включение обмоток возбуждения крест-накрест от «чужого» ТЭД (см. схемы ВЛ8 и ВЛ10).

в) необходимы меры защиты против короткого замыкания контактной сети или на самом электровозе. Для этого используются быстродействующие контакторы, срабатывание которых вызывает в схеме переходный процесс, перемагничивающий обмотки возбуждения ТЭД и ликвидирующий таким образом остаточную намагниченность статора (возбуждения генерации от которой может быть вполне достаточно для перегрева или пожара в случае КЗ в сети).

Ранее рекуперативным торможением оборудовались электровозы постоянного тока ввиду простоты метода переключения ТЭДов в режим генератора (в СССР схема появилась ещё на сурамском поколении электровозов, например, ВЛ22 и с незначительными изменениями применялась до ВЛ11 включительно, в ней решены все три описанные выше проблемы). В электровозах переменного тока существует проблема, которая заключается в преобразовании выработанного постоянного электрического тока в переменный и синхронизация его с частотой тягового тока, эта проблема решается с помощью тиристорных преобразователей^[3]. Электровозы переменного тока, созданные до использования тиристорных инверторов (ВЛ60, ЧС4 и ЧС4Т, а также все поколения ВЛ80, кроме ВЛ80Р) не имели возможности рекуперативного торможения.

Рекуперативное торможение редко используется в пассажирском движении, по крайней мере на «классических» до-тиристорных электровозах вроде ВЛ10 и ВЛ11 из-за возникновение ощутимых рывков при переключении тормозной рукоятки локомотива со ступени на ступень, а также при скачках напряжения контактной сети. Большинство пассажирских локомотивов той поры вовсе не имели этой возможности.

Кроме того, рекуперативное торможение, как и реостатное, сжимает состав и создает удар от сжатия сцепных устройств.

Тем не менее рекуперативное торможение широко применяется на моторвагонном подвижном составе (МВПС) постоянного тока (ЭР2Р, ЭР2Т и более поздние электропоезда). В отличие от поездной работы, в МВПС обычно постоянен вес поезда (его почти никогда не переформируют), а также намного выше тяговооружённость. Это сильно упрощает создание автомата управления рекуперативным торможением. Применяется и в грузовых локомотивах, к примеру на 2ЭС6.

Рекуперативное торможение на постоянном токе требует переоборудования тяговых подстанций. Как минимум возможно рассеяние энергии на стационарных резисторах в случае изменения направления тока в фидерах ПС (при этом сохраняется возможность использования энергии рекуперации для тяги другого поезда на этом же участке, что важно при тяжелом профиле пути). Как максимум — необходима установка инверторов.

Рекуперативное торможение на железнодорожных локомотивах может использоваться также для подтормаживания в экстренных аварийных случаях при отказе воздушного тормоза. В частности, имеются сведения о неоднократном применении машинистами рекуперативного торможения на крутом участке Ерал — Симская (Челябинская область)^{[4][неавторитетный источник?]}. Следует отметить, что штатное экстренное торможение на локомотивах производится стравливанием воздуха (стоп-кран в пассажирских вагонах), а при полном отсутствии в системе воздуха тормоза блокируются^{[5][нет в источнике]}.

В метрополитенах, где поезда совершают частые остановки, использование рекуперативного торможения очень выгодно. Поэтому уже самые ранние метровагоны имели аппаратуру рекуперативного торможения (за исключением метровагонов, производимых в СССР). Наибольший эффект достигается при согласовании моментов торможения прибывающего на станцию поезда с отправлением другого от той же или со смежной станции. Такая схема движения закладывается в расписание движения поездов.

Использование на городском общественном транспорте[править | править код]

На современном городском электротранспорте системы управления обеспечивающие рекуперацию используются почти всегда.

У трамвайных вагонов моделей УКВЗ 71-619А и далее, вагонов ПТМЗ 71-134А и далее, вагонов Уралтрансмаш 71-405 и далее, а также МТТА и МТТА-2 имеется возможность рекуперативного торможения. Оно используется как основное. После замедления вагонов до скорости 1-2 км/ч электродинамический (реостатный) тормоз становится неэффективным и подключается стояночный.

Тормозить и запасать: системы рекуперации в современных машинах

Десятки машин с системой Bosch и Eaton уже более десяти лет эксплуатируются в США, и их гибридный привод проявил себя как надежный и недорогой. Суть работы такой установки заключается в возможностях гидромотора, который при торможении закачивает рабочую жидкость в большой гидроаккумулятор – трубу со сжатым газом. При разгоне машины газ вытесняет жидкость, жидкость крутит тот же гидромотор и помогает экономить топливо. В системе нет дорогих аккумуляторов, и ресурс ее очень велик. Мощность гидромоторов тоже велика, а стоимость, наоборот, крайне низкая.

Одна загвоздка: гидроаккумулятор имеет большие габариты и массу, и реально 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. При использовании на автобусах или мусоровозах подобная система позволяет полностью отказаться от использования традиционных тормозных механизмов, гидромотор может замедлить машину вплоть до полной остановки. В этом пневмогидравлический рекуператор даже превосходит электрические системы, те при малой скорости вращения колес уже не эффективны.

Дополнительным плюсом является возможность запасти энергию надолго, на часы и дни. В отличие от маховиков, которые уже через десятки минут теряют солидную часть запасенной мощности. К сожалению, масштабные планы компании Peugeot были прохладно восприняты новыми акционерами из китайской Dongfeng, а также партнерами по разработке системы из Ford. Но судя по новостям, именно китайские грузовики Dongfeng могут оказаться следующими массовыми носителями этой технологии.

Электроторможение с рекуперацией

Главным конкурентом этих безусловно интересных, но обладающих множеством ограничений схем выступает уже классическая электрическая схема с электромотором, аккумуляторами или суперконденсаторами.

Обычное электрическое торможение и рекуперация хороши уже тем, что используются на железной дороге около 60 лет и отработаны до мелочей. Все конструктивные схемы с синхронными, асинхронными и коллекторными двигателями давно известны и рассчитаны. Энергия передается обратно в питающую сеть, запасается в аккумуляторы или суперконденсаторы и может быть использована через длительное время.

Основная беда электрических тормозов в том, что они плохо сочетаются с ДВС, и для эффективного использования электроэнергии пришлось совместить обычный двигатель внутреннего сгорания и всю атрибутику электромобиля – аккумуляторы и тяговый электродвигатель – в одном механизме. Получившиеся гибриды обычно так и называют просто «гибридами». И несмотря на сложность и высокую массу такой схемы, в данный момент она является единственной серийно использующейся в легковом автомобилестроении и уже весьма популярной.

Гибриды на данный момент оказываются самым перспективным направлением развития автомобилей с точки зрения снижения расхода топлива, а прогресс в создании аккумуляторных батарей и развитие так называемых «подзаряжаемых гибридов», по сути являющихся промежуточным звеном между чистыми электромобилями и гибридами, делает их важным элементом в эволюции персонального автотранспорта.

В 1997 году вышла первая серийная Toyota Prius, которая остается на данный момент самой популярной гибридной машиной и законодателем мод в своем классе. В ее схеме приняли решение использовать электромоторы малой мощности и недорогую никель-металлгидридную аккумуляторную батарею также малой мощности, а для компенсации этих недостатков наделили машину очень сложной трансмиссией со множеством режимов работы ДВС, электродвигателя и генератора. Успех этой схемы сильно повлиял на развитие подобных технологий у других производителей. Сейчас число моделей машин с гибридным приводом перевалило за два десятка.

Что такое рекуперативное торможение | MBH News

С момента выхода в свет Toyota Prius стукнуло уже за 20 лет, и с тех пор концепция рекуперативного(регенеративного) торможения стала достаточно известной, как метод повышения дальности пробега в гибридных и электрических транспортных средствах. Но знаете ли вы, что применение не ограничивается EV автомобилями? В наши дни вы можете найти ее во всем, в том числе велосипедах, скейтбордах и самокатах.

(демонстрация системы рекуперации энергии в bmw)

Давайте же разберемся, как работает эта технология, насколько она продуктивна в различных средствах передвижения и разумно ли везде ее устанавливать.

Что такое рекуперативное торможение

Движущиеся объекты обладают кинетической энергией, а когда применяется тормоз для замедления, всей этой мощи необходимо куда-то идти.

Вернемся немного в прошлое, давние времена эры неандертальцев или просто машин с ДВС. В таких автомобилях тормоза основаны исключительно на трении, поэтому при замедлении вся энергия превращается в тепло, а значит уходит в никуда, просто теряется в окружающей среде.

Но мы все же эволюционировали и нашли пути получше. Регенеративное торможение использует мотор электромобиля в качестве генератора для преобразования основной доли кинетической энергии, теряемой при замедлении, назад в батарею. В следующий раз, когда машина ускоряется, она расходует часть энергии, ранее сохраненную от рекуперативного торможения.

(Регенеративная система bmw i3)

Важно понять, что регенеративное торможение не является магическим увеличителем диапазона пробега электромобилей. Оно не делает машины более эффективными как таковые, а просто делает их менее неэффективными. В принципе, самым лучшим вариантом езды будет разгон до постоянной скорости, а затем никогда не касаться педали тормоза. Поскольку чтобы замедлиться, а потом снова вернуться к прежней скорости, потребуются лишние затраты сил, то вы получите куда больший диапазон хода, в первую очередь просто не замедляясь.

Но, очевидно, что это не реалистично. Так как нам приходится снижать скорость многократно, рекуперация — это следующий лучший вариант, так как она делает этот процесс менее бесполезным.

Насколько хорошо рекуперативное торможение

Чтобы правильно оценить данную технологию, нам нужно посмотреть на два разных параметра: коэффициент полезного действия(КПД) и эффективность. Несмотря на кажущееся сходство, они совершенно разные. КПД говорит о том, с каким успехом захватывается «потерянная» мощность торможения. Все превратилось в тепло или удалось перевести кинетический потенциал в нужное русло? С другой стороны, эффективность относится к тому, как сильно влияет регенеративное торможение на длину пути. Значительно ли увеличится ваш диапазон, или вы даже не заметите большой разницы?

(визуализация работы системы рекуперация энергии торможения в машинах VW — Volkswagen)

КПД

Никакая машина не способна достичь коэффициента полезного действия в 100% (без нарушения законов физики), так как любая передача энергии неизбежно повлечет за собой потерю в форме тепла, света, шума и т. д. КПД процесса зависит от многих факторов, таких как двигатель, батарея и контроллер, но часто значение оценивается в районе 60-70%. По словам Tesla, их технология обычно теряет 10-20% кинетического потенциала при попытке его захватить, а затем еще 10-20% при преобразовании отложенных запасов обратно в ускорение. Это довольно стандартные числа для основной массы электрических транспортных средств, включая машины, грузовики, велосипеды, самокаты и т. д.

Отметим, что эти 70% не говорят нам, что регенеративное торможение даст 70% -ный рост пути от одного заряда. Технология не приведет к увеличению диапазона от 100 км до 170 км. Это лишь означает, что 70% кинетической энергии, потерянной во время торможения, может быть снова возвращено.

Поэтому рассмотрение лишь КПД системы мало что значит. Что должно нас больше заинтересовать, так это эффективность рекуперативного 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.

К счастью, ряд водителей Tesla смогли посчитать возврат энергии, используя различные приложения для отслеживания данных. Владельцы Model S сообщили о возмещении около 32% от общего потребления энергии в момент подъема, а затем спуска на холмистой местности. Таким образом, при таком коэффициенте ход увеличивается со 100 до 132 км. Другой собственник рассказал о регенерации 28% энергии (форум на датском языке). Остальные же пишут, что во время обычных поездок возвращается в среднем 15-20% от общего потребления.

Другие автопроизводители также использую данную систему в своих машинах. Например Audi говорит, что технология рекуперативного торможения, установленная в Audi Q7 позволит сэкономить до 3% топлива. Но если брать только электромобили, то компания обещает увеличение длины пути на 30% в их будущей модели Audi e-Tron.

Эффективность рекуперативного торможения в велосипедах, самокатах, скейтбордах и других персональных EV

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.

Одним из самых весомых плюсов разработки можно назвать применение в качестве еще одной замедляющей силы для небольших персональных EV. К примеру, электрический самокат Xiaomi M365 для переднего моторного колеса использует только остановку регенерацией, в то время как для заднего колеса применяется традиционный дисковый тормоз. Это означает, что самокат имеет два независимых элемента замедления хода с одним рычагом управления для их активации, что снижает стоимость, вес и сложность сборки.

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!

Что такое рекуперация торможения в гибридных авто

Дата публикации: 25 октября 2018.
Категория: Автотехника.

Тормоза являются очень важной частью любого автомобиля. От их исправной работы во многом зависит безопасность движения. Однако, редко кто из водителей задумывался, насколько много энергии расходуется «впустую» при торможении. От трения тормозных колодок о диски выделяется значительное количество тепла, которое просто уходит на обогрев окружающего воздуха. А что если эту энергию аккумулировать и использовать повторно? Все возможно и процесс этот называется рекуперацией (то есть, частичный возврат энергии). Такие системы уже довольно давно устанавливают при производстве «гибридов» и электромобилей. В нашей обзорной статье мы постараемся кратко рассказать о разнообразных способах рекуперации.

Разновидности систем рекуперации энергии

По способу возврата энергии торможения различают три основных разновидности таких систем:

• электрические;
• механические;
• гидравлические.

Первые в настоящее время достаточно широко применяют на обычных легковых автомобилях (в основном, гибридных и электрических). Вторые используют только для спортивных болидов. Третьи в последнее время находят применение 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 электродвигатель 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. То есть, электромотор может выполнять одновременно две функции: в первом случае двигателя, а во втором генератора. Этот принцип и лег в основу электрических систем рекуперации энергии, который с успехом реализуют на электро- и гибридных автомобилях. Ведь и те и другие изначально оборудованы электродвигателями, которые довольно просто перевести в режим генератора. Принцип работы таких систем достаточно прост:

• При наборе скорости (то есть при нажатии на педаль газа) электродвигатель питается от аккумуляторной батареи и передает через трансмиссию вращательный момент на колеса автомобиля.
• В момент торможения встроенная электроника переключает его в режим генератора.
• Усилие, необходимое для его «раскручивания» замедляет вращение трансмиссии и способствует процессу остановки транспортного средства.
• Вырабатываемое мотором/генератором напряжение через специальный контроллер подзаряжает аккумуляторную батарею. То есть, часть энергии удается возвратить для ее последующего использования.

Важно! Естественно, при экстренном торможении рекуперативная система не может резко остановить автомобиль. Вследствие этого полностью отказываться от привычных конвекционных тормозов нельзя. Поэтому в зависимости от степени нажатия на педаль тормоза встроенный компьютер «принимает решение» и подключает в помощь к рекуперативному торможению стандартную тормозную систему автомобиля.

Достоинствами применения электрических систем рекуперации энергии являются:

• для электромобилей – увеличение автономности без очередной подзарядки аккумуляторных батарей;
• для гибридных транспортных средств – снижение расхода топлива.

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».

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.

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%.

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%.

Механическая рекуперация

Механический способ рекуперации кинетической энергии:

• В момент торможения специальный маховик, установленный в заполненном вакуумом кожухе (для снижения потерь от трения), раскручивается до значительных оборотов (50000÷70000 об/мин).
• При старте энергия от вращающегося маховика передается на колеса автомобиля в течение нескольких секунд и «помогает» двигателю «разогнать» авто до нужной скорости. Это приводит к тому, что в момент трогания с места автомобиль получает дополнительные 70÷80 лс мощности.

Для информации! Экспериментальный прототип Volvo S60 с карбоновым маховиком Ø=20 см и весом всего 6 кг) разгонялся до скорости в 100 км/час всего за 5,5 сек. При испытаниях в так называемом городском цикле (с большим количеством остановок) экономия топлива составила 25% (по сравнению с базовой комплектацией).

В настоящее время такой вид рекуперации энергии нашел свое практическое применение только в болидах Формулы-1, а также в эксклюзивных моделях от Porsche и Ferrari. Но инженеры-автомобилестроители считают, что в будущем такие системы могут быть установлены и на обычных городских легковых автомобилях.

Гидравлическая система рекуперации

Автомобиль с гидравлической системой рекуперации энергии оборудован специальным мотором-помпой и двумя гидро аккумуляторами (низкого и высокого давления). Принцип работы:

• При нажатии на педаль тормоза помпа подключается к трансмиссии автомобиля и перекачивает жидкость из гидро аккумулятора низкого давления в баллон, заполненный газообразным азотом (который является своего рода накопителем энергии). Газ при этом сжимается и давление в емкости повышается. Усилие, необходимое для работы помпы замедляет движение автомобиля и «помогает» его остановить.
• До тех пор, пока водитель снова не нажмет на педаль газа, жидкость остается под давлением в аккумуляторе. После этого она поступает в мотор-помпу и передает (через трансмиссию) сохраненную энергию на колеса автомобиля.

Разработчики утверждают, что использование таких систем рекуперации позволяет «вернуть» в автомобиль до 80% энергии, обычно затрачиваемой «впустую» при торможении. Однако значительные размеры и вес дополнительного оборудования, которое необходимо установить на автомобиль для реализации такой системы рекуперативного торможения, ограничивают ее применение. Поэтому в настоящее время ее используют только на большегрузных транспортных средствах и общественном городском транспорте, работающим в режиме частых остановок и возобновления движения.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

При выполнении энергией какой-либо работы она тратится безвозвратно в полном объёме. Рекуперация, как процесс, позволяет сохранить часть энергии: кинетической или тепловой, и вернуть её обратно в технологическую цепочку.

Рекуперация тепла

Что такое рекуперация

Рекуперация – это намеренное возвращение затрачиваемого материала или любого вида энергии с целью повторного применения. В переводе с латыни recuperatio – «обратное получение», возврат вещества или вида энергии в тот процесс, куда затрачивается расходный материал.

Принцип рекуперации применяют:

• при производстве (обработке) сырья;
• для сохранения тепла при воздухообмене;
• при работе с кинетической энергией.

Такие методы позволяют не только снижать затраты на производство, но и организовывать самостоятельные схемы для работы различных устройств.

Рекуперативное торможение

Электрические тяговые двигатели, применяемые для движения городского и железнодорожного электротранспорта, работают с использованием рекуперативного торможения (РТ). В тот момент, когда электродвигатель совершает торможение, он превращается в генератор.

Подобные электродвигатели применяют:

• в троллейбусах;
• в трамваях;
• в электропоездах.

Получаемая в процессе торможения электроэнергия передаётся обратно в общую энергосеть.

Внимание! В аналогичной ситуации электромобили или гибридные автомашины используют такую энергию для зарядки собственного аккумулятора.

Электропоезд с двигателями РТ

Как работает система рекуперации

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

Силовой спуск

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

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.

Торможение асинхронных двигателей

Что это такое рекуперация применительно к асинхронным машинам? В данном случае это лишь один из видов торможения. Два других это:

• динамическое замедление;
• торможение противовключением.

Каждый из  них имеет свои особенности.

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (АД) превращается в генератор тогда, когда скольжение ротора в поле статора увеличивается. Это осуществимо тремя способами:

• уменьшение частоты напряжения питания, при котором ротор начинает вращаться со скоростью, опережающей синхронную;
• в машинах, имеющих две и более скорости вращения, при переключении обмоток или изменении количества включенных полюсов;
• в двигателях с фазным ротором, путём изменения сопротивления, включенного в цепи обмоток ротора.

Величина скольжения во всех случаях превышает единицу, и машина переходит в режим генерации и возвращает энергию.

Схема пуска двигателя с фазным ротором

Противовключение

Такой способ редко применяется из-за недостатков, связанных с тем, что есть необходимость менять местами фазы между собой. Это вызывает изменение направления движения, но величина рабочего тока возрастает в десять раз. К тому же необходимо прекращать дальнейшую подачу напряжения, чтобы после торможения двигатель не вращался в противоположную сторону.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Такое снижение скорости вращения получают при подаче постоянного напряжения на статорную обмотку. Созданное в результате этого магнитное поле статора действует на обмотки ротора. В них появляется ЭДС, и начинает протекать ток. Сила тормозного момента, возникающего при выделившейся при этом мощности, напрямую зависит от скорости вращения электродвигателя. Двигатель превращается в генератор с закороченными выходными клеммами и отдаёт в сеть энергию.

Схема динамического торможения АД

Замена или дополнение механического тормоза на рекуперативное замедление движения позволяет вернуть энергию для её повторного использования. Рекуперация, как одно из направлений экономии сырья и энергии, позволяет повысить экономию и эффективность технологических процессов.

Видео

Эта таинственная рекуперация / Habr

Двигатель постоянного тока, стоящий в моноколесе, может работать как генератор, заряжая батареи на торможении. Однако возможность еще не означает, что рекуперация непременно есть. Из того, что у людей заряжались колеса при, например, спуске с горы, можно сделать вывод, что рекуперация в моноколесах все-таки используется, но ее точный вклад в торможение оставался неизвестным. Но недавно пользователи форума Электротранспорт.ру сделали полноценный ваттметр с логгером и посмотрели, что происходит с током и напряжением при езде. По результатам измерений рекуперация есть точно, но куда-то пропал еще один тип торможения.

Немного физики

Электродвигатели постоянного тока, которые стоят на моноколесах, имеют три варианта торможения.

Рекуперативное торможение. В этом случае двигатель превращается в генератор и переводит кинетическую энергию в электрический ток, который уходит в сеть (электровозы и метро) или в аккумуляторы (электрокары). Рекуперативное торможение возможно, когда скорость вращения превышает скорость идеального холостого хода.

Реостатное торможение. Здесь двигатель также работает, как генератор, но получаемая энергия уходит в нагрев тормозных резисторов. Довольно распространено на железной дороге.

Тормозные резисторы

Реверсивное торможение, оно же торможение противотоком или противовключением. В этом случае двигатель не превращается в генератор, но начинает тянуть в противоположную движению сторону. Например, если электромотор тянет вверх груз, и на этот груз запрыгивает хулиган, перевешивая возможности мотора, то груз начнет опускаться, а двигатель окажется в режиме реверсивного торможения. В таком режиме протекающий через обмотки ток гораздо выше, чем при нормальной работе, и это может создать определенные проблемы.

Специфика моноколеса

У многих моноколес нет передней и задней части, и контроллер не разгоняется и не тормозит, а все время решает задачу обратного маятника, пытаясь подъехать под ездока, который может пользоваться этим для эффектных трюков.

Например, здесь райдер очень резко тормозит и начинает разгоняться вправо.

Также, известно, что в конструкции моноколеса нет тормозных резисторов, и реостатное торможение в принципе невозможно. Теоретически, логично предположить, что в процессе торможения сначала на высокой скорости будет задействоваться рекуперативное торможение, которое на каком-то этапе перейдет в торможение противовключением, которое, если мы не прекратим давить на педаль в ту же сторону, перейдет уже в двигательный режим, и мы поедем в противоположную сторону. Но реальные измерения оказались очень любопытными.

Исследования на железе

Пользователь форума Drift3r собрал из Raspberry Pi и «nRF24L01+» ваттметр с логгером, который устанавливался в разрыв кабеля от аккумуляторных батарей.

В собранном виде на колесе другого пользователя Ripido

Ваттметр учитывал направление тока, там, где батареи заряжались, ток и мощность уходили в минус.

График в полном размере

Если посмотреть на красные линии, то получается, что в глубоком устоявшемся торможении не видны следы торможения противотоком — пока скорость падает, ток идет в батареи.

Интересно, что показатели встроенного логгера, если не учитывать ток по модулю, отличаются от данных ваттметра только на участках довольно резких маневров.

График в полном размере, Awhe, Vwhe — встроенный логгер колеса, Alog, Vlog — логи ваттметра

Гипотезы и возможные эксперименты

Как можно объяснить такие графики?

1. Торможение противотоком пропало из-за усреднения или рассинхронизации данных, графики не отражают реального положения вещей.
2. Очень низкое значение скорости идеального холостого хода позволяет тормозить почти до нуля, и переход на торможение противотоком мы не замечаем

Также, попробуем провести следующий мысленный эксперимент. Ситуация первая — мы катимся с горки со скоростью 20 км/ч. В этом случае, очевидно, работает рекуперация. Ситуация вторая — мы стоим на горке (моноколесо стоять не может, так что мы легко касаемся пальцами столба и за счет этого не заваливаемся набок). В этом случае мы, очевидно, работаем в тяговом режиме, потому что надо прикладывать усилие, чтобы не покатиться вниз. Ситуация третья — мы спускаемся со скоростью 1 миллиметр в секунду с крутой горки, придерживаясь за столб. В этом случае колесо, очевидно, работает в режиме противовключения, потому что итоговый баланс энергии отрицательный — она расходуется на то, чтобы не скатиться под горку быстрее, чем мы движемся. И где-то между ситуациями 1 и 3 у нас будет переходный момент, когда итоговый энергетический баланс будет околонулевым — скатываться быстрее будет выгодно энергетически, а движение медленнее будет требовать энергетических затрат.

Практическое применение

У всех этих рассуждений есть очень простые следствия:

Есть забавная история о том, как на трассе заряжали электромобиль Tesla — его взяли на буксир, и водитель Tesla давил на педаль тормоза, чтобы рекуперация заряжала батареи. С моноколесами то же самое — если у вас почти сел аккумулятор, пусть вас возьмет на буксир соратник на велосипеде, самокате, роликах или моноколесе (пожалуйста, берегите себя и не пробуйте цепляться за машины или общественный транспорт!).

У моноколес есть защита от перезаряда батарей. То есть, если вы оказались на вершине горы с полной батареей, попытка спуститься будет сопряжена с тревожными сигналами моноколеса о перезаряде аккумуляторов — обычно они начинают пищать и задирать педали (вместо горизонтального положения их передняя часть будет выше задней). Но это легко исправить — проехав метров сто вверх, желательно побыстрее, вы сможете спуститься на километр-два. Лайфхак повторять до окончания спуска.

Заключение

В публикации использованы фотографии пользователей Ripido и Drift3r, темы, где обсуждалась рекуперация тут и тут. Также использованы стоп-кадры из рекламного ролика с участием недавнего победителя конкурса моноколесных талантов Дамьена Гоме. Дамьен — профессиональный акробат, поэтому ролик, на мой взгляд, красив сам по себе и наглядно показывает возможности любого хорошего моноколеса.