Рекуперативное торможение

Механизм рекуперации энергии

Механизм рекуперативного тормоза на крыше трамвая Škoda Astra

S7 /8 Stock в лондонском метрополитене может возвращать около 20% потребляемой им энергии в энергоснабжение. ^[1]

Рекуперативное торможение — это механизм рекуперации энергии , который замедляет движущееся транспортное средство или объект путем преобразования его кинетической энергии или потенциальной энергии в форму, которую можно использовать немедленно или хранить до тех пор, пока она не понадобится.

Обычно рекуперативные тормоза работают, приводя в движение электродвигатель в обратном направлении, чтобы вернуть энергию, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла во время торможения, эффективно превращая тяговый двигатель в генератор. Подача мощности в обратном направлении через систему, как эта, позволяет энергии, собранной при замедлении, пополнять запасы решения для хранения энергии, такого как аккумулятор или конденсатор. После накопления эта энергия может быть впоследствии использована для содействия движению вперед. Из-за архитектуры электрифицированного транспортного средства, необходимой для такой тормозной системы, автомобильные рекуперативные тормоза чаще всего встречаются на гибридных и электрических транспортных средствах.

Этот метод отличается от традиционных тормозных систем, где избыточная кинетическая энергия преобразуется в нежелательное и бесполезное тепло из-за трения в тормозах . Аналогично, в реостатных тормозах энергия восстанавливается с помощью электродвигателей в качестве генераторов, но немедленно рассеивается в виде тепла в резисторах .

Помимо повышения общей эффективности автомобиля, регенерация может значительно продлить срок службы тормозной системы. Это связано с тем, что традиционные механические детали, такие как диски, суппорты и колодки, которые включаются в тех случаях, когда рекуперативного торможения недостаточно для безопасной остановки автомобиля, не будут изнашиваться так быстро, как в автомобиле, использующем только традиционные тормоза.

Общий принцип

Наиболее распространенная форма рекуперативного тормоза включает в себя электродвигатель , функционирующий как электрогенератор. В электрических железных дорогах вырабатываемая электроэнергия подается обратно в тяговый источник питания . В аккумуляторных электрических и гибридных электромобилях энергия хранится химически в батарее , электрически в блоке конденсаторов или механически во вращающемся маховике . Гидравлические гибридные транспортные средства используют гидравлические двигатели для хранения энергии в виде сжатого воздуха . В транспортном средстве на водородных топливных элементах электрическая энергия, вырабатываемая двигателем, хранится химически в батарее, аналогично аккумуляторным и гибридным электромобилям. ^[2]

Практическое рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение само по себе не является достаточным средством для безопасной остановки транспортного средства или его замедления по мере необходимости, поэтому его необходимо использовать в сочетании с другой тормозной системой, например, с фрикционным торможением.

• Эффект рекуперативного торможения снижается на более низких скоростях и не может достаточно быстро полностью остановить автомобиль с помощью современных технологий. Однако некоторые автомобили, такие как Chevrolet Bolt , могут полностью остановить автомобиль на ровной поверхности, если водитель знает путь рекуперативного торможения автомобиля. Это называется One Pedal Driving (OPD).
• Некоторые современные рекуперативные тормоза не обездвиживают неподвижное транспортное средство; требуется физическая блокировка , например, для предотвращения скатывания транспортного средства с холмов. Некоторые автомобили, такие как Chevrolet Bolt, могут оставаться неподвижными на небольших склонах, используя только двигатель.
• Многие дорожные транспортные средства с рекуперативным торможением не имеют приводных двигателей на всех колесах (как в автомобиле с приводом на два колеса ); рекуперативное торможение обычно применимо только к колесам с двигателями. Для безопасности требуется возможность торможения всех колес.
• Эффект рекуперативного торможения ограничен, и для существенного снижения скорости или остановки транспортного средства по-прежнему необходимо механическое торможение.
• На крутых холмах с реальными скоростями движения величина потенциальной энергии, восстанавливаемой при спуске транспортного средства со скоростью, меньшей его конечной скорости, существенно больше, чем та, которая восстанавливается при остановке транспортного средства даже с конечной скорости. Велосипедисты приводят пример: при спуске с холма на конечных скоростях теряется примерно мощность трех фенов или около двух лошадиных сил из-за сопротивления воздуха. ^{[ требуется ссылка ]}

Необходимо использовать как рекуперативное, так и фрикционное торможение, что создает необходимость их управления для обеспечения требуемого общего торможения. GM EV-1 был первым коммерческим автомобилем, который сделал это. В 1997 и 1998 годах инженеры Авраам Фараг и Лорен Майерсик получили два патента на эту технологию торможения по проводам . ^{[3] [4]}

Ранние приложения обычно страдали от серьезной угрозы безопасности: во многих ранних электромобилях с рекуперативным торможением одни и те же позиции контроллера использовались для подачи мощности и для применения рекуперативного тормоза, а функции менялись местами с помощью отдельного ручного переключателя. Это приводило к ряду серьезных аварий, когда водители случайно ускорялись, намереваясь затормозить, например, крушение поезда, сошедшего с рельсов, в Веденсвиле, Швейцария , в 1948 году, в результате которого погибло двадцать один человек.

В 2020-х годах большинство транспортных средств, оснащенных рекуперативным торможением, могут полностью остановиться достаточно быстро в режиме One Pedal Driving. Некоторые модели автомобилей не загораются стоп-сигналы при включении рекуперативного торможения, что приводит к проблемам безопасности. Большинство правил не требуют загорания стоп-сигналов, когда транспортное средство замедляется с помощью рекуперативного торможения. ^[5] Режим One Pedal Driving (OPD) также приводит к проблемам с внезапным непреднамеренным ускорением (SUA), поскольку водитель может перепутать акселератор с тормозом в стрессовых ситуациях, когда последний редко используется во время вождения OPD. ^[6]

Преобразование в электрическую энергию: двигатель как генератор

Tesla Model S P85+, использующая рекуперативное торможение мощностью более 60 кВт. Во время рекуперативного торможения индикатор мощности горит зеленым.

Электродвигатели , когда используются в обратном направлении, функционируют как генераторы и затем преобразуют механическую энергию в электрическую. Транспортные средства, приводимые в движение электродвигателями, используют их как генераторы при использовании рекуперативного торможения, торможения путем передачи механической энергии от колес к электрической нагрузке.

История

В 1886 году компания Sprague Electric Railway & Motor Company, основанная Фрэнком Дж. Спрагом , представила два важных изобретения: двигатель постоянной скорости, не дающий искр с фиксированными щетками и рекуперативное торможение.

Ранними примерами этой системы в дорожных транспортных средствах были переднеприводные конные экипажи , переделанные Луи Антуаном Кригером в Париже в 1890-х годах. Электрический ландо Кригера имел приводной двигатель в каждом переднем колесе со вторым набором параллельных обмоток ( бифилярная катушка ) для рекуперативного торможения. ^[7] Электрический грузовик Orwell, представленный Ransomes, Sims & Jefferies в Англии во время Первой мировой войны, использовал рекуперативное торможение, включаемое водителем.

В Англии «автоматическое рекуперативное управление» было представлено операторам трамвая Джоном С. Равортом в патентах на тягу 1903–1908 гг., что давало им экономические и эксплуатационные преимущества ^{[8] [9] [10],} как подробно объяснил его сын Альфред Раворт . К ним относятся трамвайные системы в Девонпорте (1903), Роутенстолле , Бирмингеме , Кристал Пэлас-Кройдоне (1906) и многих других. Замедляя скорость вагонов или удерживая ее под контролем на спусках, двигатели работали как генераторы и тормозили транспортные средства. Трамвайные вагоны также имели колесные тормоза и тормоза-скользуны, которые могли остановить трамвай в случае отказа электрических тормозных систем. В нескольких случаях двигатели трамвайных вагонов были с шунтовой обмоткой вместо последовательной, а системы на линии Кристал Пэлас использовали последовательно-параллельные контроллеры. ^{[ необходимо разъяснение ] [11]} После серьезной аварии в Раутенстолле в 1911 году на этот вид тяги было наложено эмбарго; ^[12] система рекуперативного торможения была вновь введена двадцать лет спустя. ^[10]

Рекуперативное торможение широко использовалось на железных дорогах в течение многих десятилетий. Железная дорога Баку-Тбилиси-Батуми ( Транскавказская железная дорога или Грузинская железная дорога) начала использовать рекуперативное торможение в начале 1930-х годов. Это было особенно эффективно на крутом и опасном Сурамском перевале . ^[13] В Скандинавии электрифицированная железная дорога Кируна-Нарвик, известная как Мальмбанан на шведской стороне и линия Офотен на норвежской, перевозит железную руду по крутому маршруту из шахт в Кируне , на севере Швеции, вниз к порту Нарвик в Норвегии и по сей день. Железнодорожные вагоны заполнены тысячами тонн железной руды по пути вниз в Нарвик, и эти поезда вырабатывают большое количество электроэнергии за счет рекуперативного торможения с максимальной силой рекуперативного торможения 750  кН . От Риксгренсена на национальной границе до порта Нарвик поезда ^[14] используют только пятую часть энергии, которую они регенерируют. ^{[ проверка не пройдена ]} Регенерированной энергии достаточно для питания пустых поездов до государственной границы. ^{[15] [ проверка не пройдена ]} Любая избыточная энергия с железной дороги закачивается в энергосистему для снабжения домов и предприятий в регионе, а железная дорога является чистым генератором электроэнергии. ^{[ необходима цитата ]}

Электромобили использовали рекуперативное торможение с самых ранних экспериментов, но изначально для этого водителю требовалось переключать различные режимы работы, чтобы использовать его. Baker Electric Runabout и Owen Magnetic были ранними примерами, которые использовали множество переключателей и режимов, управляемых дорогим «черным ящиком» или «барабанным переключателем» как частью их электрической системы. ^{[16] [17]} Они, как и конструкция Кригера, могли практически использоваться только на спусках и должны были включаться вручную.

Усовершенствования в электронике позволили полностью автоматизировать этот процесс, начиная с экспериментального электромобиля AMC Amitron 1967 года. ^[18] Разработанный Gulton Industries ^[19], контроллер двигателя автоматически начинал зарядку аккумулятора при нажатии на педаль тормоза. Многие современные гибридные и электрические транспортные средства используют эту технологию для увеличения диапазона аккумуляторной батареи, особенно те, которые используют привод переменного тока (большинство более ранних конструкций использовали питание постоянного тока).

Для хранения регенерированной энергии вместо батареи можно использовать выпрямитель переменного/постоянного тока и очень большой конденсатор. Использование конденсатора позволяет гораздо быстрее накапливать пиковую энергию и при более высоких напряжениях. Mazda использовала эту систему в некоторых автомобилях 2018 года, где она получила название i-ELOOP.

Электрифицированные железные дороги

Во время торможения соединения тяговых двигателей изменяются, превращая их в электрические генераторы. Поля двигателей подключаются через главный тяговый генератор (МГ), а якоря двигателей подключаются через нагрузку. МГ теперь возбуждает поля двигателей. Колеса катящегося локомотива или многосекционного поезда вращают якоря двигателей, и двигатели действуют как генераторы, либо отправляя сгенерированный ток через бортовые резисторы ( динамическое торможение ), либо обратно в источник питания (рекуперативное торможение). По сравнению с электропневматическими фрикционными тормозами, торможение тяговыми двигателями можно регулировать быстрее, что улучшает эффективность защиты от скольжения колес .

Для заданного направления движения ток через якоря двигателя во время торможения будет противоположен току во время движения. Таким образом, двигатель создает крутящий момент в направлении, противоположном направлению качения.

Тормозное усилие пропорционально произведению магнитной силы обмоток возбуждения на магнитную силу обмоток якоря.

Для поездов British Rail Class 390 заявлена ​​экономия в 17% и меньший износ фрикционных тормозных компонентов . ^[20] Метро Дели сократило количество выбросов углекислого газа ( CO
₂) было выброшено в атмосферу примерно на 90 000 тонн за счет регенерации 112 500 мегаватт-часов электроэнергии с помощью систем рекуперативного торможения в период с 2004 по 2007 год. Ожидалось, что Делийский метрополитен сократит свои выбросы более чем на 100 000 тонн CO
₂в год после завершения фазы II, за счет использования рекуперативного торможения. ^[21]

Электроэнергия, вырабатываемая при рекуперативном торможении, может быть возвращена в тяговый источник питания; либо компенсирована для покрытия других потребностей в электроэнергии в сети в данный момент, использована для силовых нагрузок на головном конце или сохранена в системах хранения на линии для последующего использования. ^[22]

Форма того, что можно описать как рекуперативное торможение, используется на некоторых участках лондонского метрополитена , что достигается за счет небольших уклонов, ведущих вверх и вниз от станций. Поезд замедляется подъемом, а затем спускается вниз по склону, поэтому кинетическая энергия преобразуется в гравитационную потенциальную энергию на станции. ^[23] Обычно это встречается на глубоких туннельных участках сети и, как правило, не встречается над землей или на открытых участках линий Metropolitan и District.

Сравнение динамических и рекуперативных тормозов

Коробка, выступающая сбоку от крыши прямо над словом «эксплуатация», позволяет воздуху свободно проходить через резисторы динамических тормозов этого дизель-электрического локомотива.

То, что описывается как динамические тормоза (« реостатные тормоза » в британском английском) в электрических тяговых системах, в отличие от рекуперативных тормозов, рассеивает электрическую энергию в виде тепла, а не использует ее, пропуская ток через большие группы резисторов . Транспортные средства, которые используют динамические тормоза, включают вилочные погрузчики , дизель-электрические локомотивы и трамваи . Это тепло может использоваться для обогрева салона транспортного средства или рассеиваться снаружи большими радиатороподобными кожухами для размещения групп резисторов.

Экспериментальные паротурбинные локомотивы General Electric 1936 года отличались настоящей регенерацией. Эти два локомотива пропускали паровую воду через блоки резисторов, в отличие от воздушного охлаждения, используемого в большинстве динамических тормозов. Эта энергия вытесняла масло, которое обычно сжигалось для поддержания температуры воды, и таким образом восстанавливала энергию, которую можно было использовать для повторного ускорения. ^[24]

Основным недостатком рекуперативных тормозов по сравнению с динамическими тормозами является необходимость точного соответствия генерируемого тока характеристикам источника питания и повышенные затраты на техническое обслуживание линий. При использовании постоянного тока это требует тщательного контроля напряжения. Пионер в области источников питания переменного тока и преобразователей частоты Миро Зорич и его первая силовая электроника переменного тока также сделали это возможным при использовании источников переменного тока. ^{[ необходима цитата ]} Частота источника питания также должна быть согласована (это в основном относится к локомотивам, где источник переменного тока выпрямляется для двигателей постоянного тока).

В областях, где существует постоянная потребность в энергии, не связанной с движением транспортного средства, например, для отопления или кондиционирования воздуха в электропоездах , эта нагрузка может быть использована в качестве стока для восстановленной энергии с помощью современных тяговых систем переменного тока . Этот метод стал популярным на североамериканских пассажирских железных дорогах, где конечные нагрузки обычно находятся в районе 500 кВт круглый год. Использование нагрузок HEP таким образом побудило недавние конструкции электровозов, такие как ALP-46 и ACS-64, исключить использование динамических тормозных резисторных сеток, а также устранить любую необходимость во внешней энергетической инфраструктуре для обеспечения восстановления энергии, что позволяет транспортным средствам с собственным питанием также использовать рекуперативное торможение.

Небольшое количество крутых железных дорог использовали 3-фазные источники питания и асинхронные двигатели . Это приводит к почти постоянной скорости для всех поездов, поскольку двигатели вращаются с частотой питания как при движении, так и при торможении.

Системы рекуперации кинетической энергии

Системы рекуперации кинетической энергии (KERS) использовались в гонках Формулы-1 сезона 2009 года и находятся в стадии разработки для дорожных транспортных средств. KERS была отменена в сезоне Формулы-1 2010 года , но вновь введена в сезоне 2011 года . К 2013 году все команды использовали KERS, а Marussia F1 начала использовать ее в сезоне 2013 года. ^[25] Одной из главных причин, по которой не все автомобили сразу стали использовать KERS, является то, что она повышает центр тяжести автомобиля и уменьшает количество балласта , доступного для балансировки автомобиля, чтобы он был более предсказуемым при повороте. ^[26] Правила FIA также ограничивают использование системы. Концепция передачи кинетической энергии транспортного средства с использованием маховика-аккумулятора была постулирована физиком Ричардом Фейнманом в 1950-х годах ^[27] и проиллюстрирована в таких системах, как Zytek , Flybrid, ^[28] Torotrak ^{[29] [30]} и Xtrac, используемых в F1. Существуют также дифференциальные системы, такие как Cambridge Passenger/Commercial Vehicle Kinetic Energy Recovery System (CPC-KERS). ^[31]

Xtrac и Flybrid являются лицензиатами технологий Torotrak, которые используют небольшую и сложную вспомогательную коробку передач, включающую бесступенчатую трансмиссию (CVT). CPC-KERS похож, поскольку он также является частью узла трансмиссии. Однако весь механизм, включая маховик, полностью находится в ступице автомобиля (выглядя как барабанный тормоз). В CPC-KERS дифференциал заменяет CVT и передает крутящий момент между маховиком , ведущим колесом и колесом.

Автоспорт

Система рекуперации кинетической энергии Flybrid Systems

Первой из этих систем, которая была представлена, стала Flybrid. Эта система весит 24 кг и имеет энергетическую емкость 400 кДж после учета внутренних потерь. Доступен максимальный прирост мощности 60 кВт (82 PS; 80 л. с.) в течение 6,67 секунд. Маховик диаметром 240 мм весит 5,0 кг и вращается со скоростью до 64 500 об./мин. Максимальный крутящий момент составляет 18 Нм (13,3 фут-фунтов). Система занимает объем 13 литров. ^{[ необходима цитата ]}

Формула 1

Маховик KERS

Формула-1 заявила, что поддерживает ответственные решения мировых экологических проблем, ^[32] а FIA разрешила использовать 60 кВт (82 л.с.; 80 л.с.) KERS в регламенте сезона Формулы-1 2009 года . ^[33] Команды начали тестировать системы в 2008 году: энергия может храниться либо в виде механической энергии (как в маховике ), либо в виде электрической энергии (как в аккумуляторе или суперконденсаторе ). ^[34]

Во время тестирования систем KERS в 2008 году было зарегистрировано два незначительных инцидента . Первый произошел, когда команда Red Bull Racing впервые тестировала свою батарею KERS в июле: она вышла из строя и вызвала пожар, который привел к эвакуации завода команды. ^[35] Второй произошел менее чем через неделю, когда механик BMW Sauber получил удар током, когда он прикоснулся к машине Кристиана Клиена , оборудованной KERS, во время теста на трассе в Хересе . ^[36]

С введением KERS в сезоне 2009 года четыре команды использовали ее в какой-то момент сезона: Ferrari , Renault , BMW и McLaren . В течение сезона Renault и BMW прекратили использовать эту систему. McLaren Mercedes стала первой командой, выигравшей Гран-при Формулы-1, используя автомобиль, оборудованный KERS, когда Льюис Хэмилтон выиграл Гран-при Венгрии 2009 года 26 июля 2009 года. Их второй автомобиль, оборудованный KERS, финишировал пятым. В следующей гонке Льюис Хэмилтон стал первым гонщиком, занявшим поул-позицию на автомобиле с KERS, его товарищ по команде Хейкки Ковалайнен квалифицировался вторым. Это также был первый случай полного KERS в первом ряду. 30 августа 2009 года Кими Райкконен выиграл Гран-при Бельгии на своем Ferrari, оборудованном KERS. Это был первый случай, когда KERS напрямую способствовал победе в гонке, а занявший второе место Джанкарло Физикелла заявил: «На самом деле, я был быстрее Кими. Он обогнал меня только благодаря KERS в начале». ^[37]

Хотя KERS все еще была легальна в Формуле-1 в сезоне 2010 года, все команды согласились не использовать ее. ^[38] Новые правила для сезона F1 2011 года, которые увеличили минимальный предел веса автомобиля и водителя на 20 кг до 640 кг, ^[39] наряду с командами FOTA, снова согласившимися на использование устройств KERS, означали, что KERS вернулась в сезоне 2011 года. ^[40] Это по-прежнему необязательно, как и в сезоне 2009 года; в сезоне 2011 года 3 команды решили не использовать ее. ^[25] В сезоне 2012 года только Marussia и HRT выступали без KERS, а к 2013 году, с прекращением использования HRT, все 11 команд на стартовой решетке использовали KERS.

В сезоне 2014 года выходная мощность MGU-K (замена KERS и части системы ERS, которая также включает систему рекуперации отработанного тепла турбонагнетателя ) была увеличена с 60 кВт до 120 кВт, и ей было разрешено рекуперировать 2 мегаджоуля за круг. Это должно было сбалансировать переход спорта с 2,4-литровых двигателей V8 на 1,6-литровые двигатели V6. ^[41] Настройки отказоустойчивости системы brake-by-wire , которая теперь дополняет KERS , подверглись проверке как фактор, способствовавший фатальной аварии Жюля Бьянки на Гран-при Японии 2014 года .

Производители автозапчастей

Bosch Motorsport Service разрабатывает KERS для использования в автогонках. Эти системы хранения электроэнергии для гибридных и двигательных функций включают литий-ионный аккумулятор с масштабируемой емкостью или маховик , электродвигатель весом от четырех до восьми килограммов (с максимальным уровнем мощности 60 кВт или 80 л. с.), а также контроллер KERS для управления питанием и аккумулятором. Bosch также предлагает ряд электрических гибридных систем для коммерческих и легких грузовых применений. ^[42]

Производители автомобилей

Автопроизводители, включая Honda, тестировали системы KERS. ^[43] На гонке 1000 км Сильверстоуна 2008 года Peugeot Sport представил Peugeot 908 HY , гибридный электрический вариант дизельного 908 с KERS. Peugeot планировал выставить автомобиль на гонку в сезоне серии Ле-Ман 2009 года , хотя он не смог набрать очки чемпионата. ^[44] Peugeot также планирует силовую установку с рекуперативным торможением сжатым воздухом, называемую Hybrid Air. ^{[45] [46]}

McLaren начала тестирование своей KERS в сентябре 2008 года на испытательном треке в Хересе в рамках подготовки к сезону F1 2009 года, хотя на тот момент ещё не было известно, будут ли они использовать электрическую или механическую систему. ^[47] В ноябре 2008 года было объявлено, что Freescale Semiconductor будет сотрудничать с McLaren Electronic Systems для дальнейшей разработки своей KERS для болида Формулы-1 McLaren с 2010 года. Обе стороны считали, что это сотрудничество улучшит систему KERS McLaren и поможет системе проникнуть в технологию дорожных автомобилей. ^[48]

Toyota использовала суперконденсатор для регенерации на гибридном гоночном автомобиле Supra HV-R, который выиграл гонку Tokachi 24 Hours в июле 2007 года. ^[49]

BMW использовала рекуперативное торможение в своих моделях E90 3 серии, а также в современных моделях, таких как F25 5 серии под маркой EfficientDynamics. ^[50] У Volkswagen есть технологии рекуперативного торможения под брендом BlueMotion в таких моделях, как Volkswagen Golf Mk7 и Mk7 Golf Estate / Wagon, а также в других брендах группы VW, таких как SEAT , Skoda и Audi . ^[51]

Мотоциклы

Босс гонок KTM Харальд Бартол рассказал, что завод участвовал в гонках с секретной системой рекуперации кинетической энергии (KERS), установленной на мотоцикле Томми Коямы во время финального сезона Гран-при Валенсии 125cc 2008 года . Это было нарушением правил, поэтому впоследствии им запретили это делать. ^[52]

Расы

Автомобильный клуб de l'Ouest , организатор ежегодных гонок « 24 часа Ле-Мана» и серии Ле-Ман , в 2007 году «изучал особые правила для LMP1 , которые будут оснащены системой рекуперации кинетической энергии». ^[53] Peugeot был первым производителем, который представил полностью функционирующий автомобиль LMP1 в виде 908 HY на гонке Autosport 1000 км 2008 года в Сильверстоуне. ^[54]

Гражданский транспорт

Велосипеды

На электровелосипедах рекуперативное торможение в принципе может использоваться. Однако по состоянию на 2024 год оно редко используется на велосипедах, в основном потому, что для него требуется мотор-колесо с прямым приводом (в то время как многие велосипеды используют мотор-колесо со средним приводом, который приводит в движение цепь), и потому, что его нельзя объединить с механизмом свободного хода . Кроме того, количество регенерируемой энергии обычно слишком мало, чтобы быть стоящим. ^[55]

Регенеративное торможение также возможно на неэлектрическом велосипеде. Агентство по охране окружающей среды США , работающее со студентами Мичиганского университета , разработало гидравлическую систему Regenerative Brake Launch Assist (RBLA). ^[56]

Автомобили

Многие гибридные электрические и полностью электрические транспортные средства используют рекуперативное торможение в сочетании с фрикционным торможением, ^[57] Рекуперативные тормозные системы не способны полностью имитировать функцию обычного торможения для водителей, но существуют постоянные усовершенствования. ^[58] Калибровки, используемые для определения того, когда энергия будет регенерироваться и когда фрикционное торможение будет использоваться для замедления транспортного средства, влияют на то, как водитель ощущает торможение. ^{[59] [60]}

Трамваи

Потребление энергии снижается за счет рекуперативного торможения на трамваях ( AE ) или трамваях ( CE ) в Ораньестаде, Аруба . Разработанные и построенные компанией TIG/m Modern Street Railways в Чатсворте , США, ^[61] транспортные средства используют гибридную/электрическую технологию: они не получают энергию от внешних источников, таких как воздушные провода, во время движения, а питаются от литиевых батарей, дополненных водородными топливными элементами . ^[62]

Термодинамика

Маховик KERS

Энергию маховика можно описать следующим общим уравнением энергии, предполагая, что маховик является системой:

${\displaystyle E_{\text{in}}-E_{\text{out}}=\Delta E_{\text{system}}}$

где

• ${\displaystyle E_{\text{in}}}$это энергия в маховик.
• ${\displaystyle E_{\text{out}}}$это энергия из маховика.
• ${\displaystyle \Delta E_{\text{system}}}$это изменение энергии маховика.

Предполагается, что во время торможения не происходит никаких изменений в потенциальной энергии, энтальпии маховика, давлении или объеме маховика, поэтому будет учитываться только кинетическая энергия. Когда автомобиль тормозит, маховик не рассеивает энергию, и единственная энергия, поступающая в маховик, — это начальная кинетическая энергия автомобиля. Уравнение можно упростить до:

${\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}=\Delta E_{\text{fly}}}$

где

• ${\displaystyle m}$масса автомобиля.
• ${\displaystyle v}$— начальная скорость автомобиля непосредственно перед торможением.

Маховик собирает процент от начальной кинетической энергии автомобиля, и этот процент можно представить как . Маховик хранит энергию в виде вращательной кинетической энергии. Поскольку энергия сохраняется в виде кинетической энергии и не преобразуется в другой тип энергии, этот процесс эффективен. Однако маховик может хранить только определенное количество энергии, и это ограничено его максимальным количеством вращательной кинетической энергии. Это определяется на основе инерции маховика и его угловой скорости . Поскольку автомобиль простаивает, со временем теряется мало вращательной кинетической энергии, поэтому можно предположить, что начальное количество энергии в маховике равно конечному количеству энергии, распределенной маховиком. Таким образом, количество кинетической энергии, распределенной маховиком, равно: ${\displaystyle \eta _{\text{fly}}}$

${\displaystyle KE_{\text{fly}}={\frac {\eta _{\text{fly}}mv^{2}}{2}}}$

Рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение имеет похожее уравнение энергии, что и уравнение для механического маховика. Рекуперативное торможение представляет собой двухэтапный процесс, включающий двигатель/генератор и аккумулятор. Первоначальная кинетическая энергия преобразуется в электрическую энергию генератором, а затем преобразуется в химическую энергию аккумулятором. Этот процесс менее эффективен, чем маховик. Эффективность генератора можно представить следующим образом:

${\displaystyle \eta _{\text{gen}}={\frac {W_{\text{out}}}{W_{\text{in}}}}}$

где

• ${\displaystyle W_{\text{in}}}$это работа в генераторе.
• ${\displaystyle W_{\text{out}}}$это работа, производимая генератором.

Единственная работа, вложенная в генератор, — это начальная кинетическая энергия автомобиля, а единственная работа, произведенная генератором, — это электрическая энергия. Перегруппировка этого уравнения для решения задачи мощности, произведенной генератором, дает следующее уравнение:

${\displaystyle P_{\text{gen}}={\frac {\eta _{\text{gen}}mv^{2}}{2\,\Delta t}}}$

где

• ${\displaystyle \Delta t}$это количество времени, в течение которого автомобиль тормозит.
• ${\displaystyle m}$масса автомобиля.
• ${\displaystyle v}$— начальная скорость автомобиля непосредственно перед торможением.

Эффективность батареи можно описать как:

${\displaystyle \eta _{\text{batt}}={\frac {P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}}}$

где

• ${\displaystyle P_{\text{in}}=P_{\text{gen}}}$
• ${\displaystyle P_{\text{out}}={\frac {W_{\text{out}}}{\Delta t}}}$

Работа батареи представляет собой количество энергии, вырабатываемой рекуперативными тормозами. Это можно представить следующим образом:

${\displaystyle W_{\text{out}}={\frac {\eta _{\text{batt}}\eta _{\text{gen}}mv^{2}}{2}}}$

В машинах

Энергоэффективность автомобилей в городах и на автомагистралях по данным DoE

Энергоэффективность электромобилей в городах и на автомагистралях по данным Министерства энергетики США

Диаграмма Министерства энергетики США (DoE) показывает, что автомобили с двигателями внутреннего сгорания имеют типичную эффективность 13% при движении по городу и 20% в условиях шоссе. Торможение в пропорции к полезной механической энергии составляет 6/13, т. е. 46% в городах и 2/20, т. е. 10% на автомагистралях.

DoE утверждает, что электромобили преобразуют более 77% электроэнергии из сети в мощность на колесах. ^[63] Эффективность электромобиля с учетом потерь из-за электрической сети, отопления и кондиционирования воздуха составляет около 50% по данным Жана-Марка Янковичи ^[64] (однако для общего преобразования см. Воплощенная энергия#Воплощенная энергия в области энергетики ).

Примите во внимание эффективность электродвигателя и соотношение торможения в городах и на автомагистралях . ${\displaystyle \eta _{\text{eng}}=0.5}$ ${\displaystyle p=0.46}$ ${\displaystyle p=0.1}$

Давайте введем рекуперированную долю энергии торможения. Предположим . ^[65] ${\displaystyle \eta _{\text{recup}}}$ ${\displaystyle \eta _{\text{recup}}=0.6}$

Описание потока энергии при рекуперативном торможении

При этих обстоятельствах, учитывая поток энергии, поступающий в электродвигатель, поток энергии, теряемый при торможении, и поток рекуперируемой энергии, достигается равновесие согласно уравнениям ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle E_{\text{braking}}}$ ${\displaystyle E_{\text{recup}}}$

${\displaystyle E_{\text{braking}}=(E+E_{\text{recup}})\cdot \eta _{\text{eng}}\cdot p}$и ${\displaystyle E_{\text{recup}}=\eta _{\text{recup}}\cdot E_{\text{braking}}}$

таким образом ${\displaystyle E_{\text{braking}}={\frac {E\cdot \eta _{\text{eng}}\cdot p}{1-\eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}}}}}$

Как будто старый поток энергии заменили новым. ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle E\cdot (1-\eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}})}$

Ожидаемый прирост составляет ${\displaystyle \eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}}}$

Чем выше эффективность рекуперации, тем выше рекуперация.

Чем выше КПД между электродвигателем и колесами, тем выше рекуперация.

Чем выше коэффициент торможения, тем выше рекуперация.

На автомагистралях этот показатель составит 3%, а в городах — 14%.

Смотрите также

• Система рекуперации кинетической энергии
• Тормоз (железнодорожный)
• Электромагнитный тормоз
• Регенеративный (дизайн)
• Регенеративный амортизатор
• Гибридный синергический привод
• Турбина с набегающим потоком воздуха
• Динамическое торможение
• Электродвигатель
• Часы с автоподзаводом
• Тормозной ход
• Электромагнитная муфта
• Вихретоковый тормоз

Ссылки

1. "Transforming the Tube" (PDF) . Транспорт для Лондона. Июль 2008. Архивировано из оригинала (PDF) 5 июня 2011. Получено 28 мая 2009 .
2. «Как работают электромобили на топливных элементах с использованием водорода?». Центр данных по альтернативным видам топлива . Министерство энергетики США . Получено 22 марта 2021 г.
3. Патент GM 5775467 - Плавающая электромагнитная тормозная система - Эрик Кнут, Авраам Фараг, Лорен Майерсик, Уильям Борчерс .
4. Патент GM 5603217 – Соответствующий требованиям главный цилиндр - Лорен Майерсик, Абрахам Фараг .
5. Монтичелло, Майк (26 июня 2023 г.). «Стоп-сигналы могут не обеспечивать надлежащего предупреждения на некоторых электромобилях». Consumer Reports .
6. Агате, Кристиан (31 мая 2024 г.). «Китай запретит однопедальный режим вождения, который широко обвинялся в авариях Tesla SUA». Auto Evolution .
7. Dave (16 марта 2009 г.). "Horseless Carriage: 1906". Shorpy. Архивировано из оригинала 25 июля 2011 г. Получено 14 августа 2010 г.
8. Raworth, A. (1907). «Регенеративное управление электрическими трамваями и локомотивами». Журнал Института инженеров-электриков . 38 (182): 374–386. doi :10.1049/jiee-1.1907.0020.
9. "Обсуждение "Рекуперативного торможения электромобилей" (Хеллмунд) Питтсбург, Пенсильвания". Труды Американского института инженеров-электриков . 36 : 68. 1917. Получено 11 марта 2014 .
10. Jno, Struan; Robertson, T.; Markham, John D. (2007). История рекуперативного торможения . Scottish Tramway & Transport Society.
11. Transport World The Tramway and Railway World. Том XX. Carriers Publishing. Июль–декабрь 1906 г. стр. 20. Получено 11 марта 2014 г.
12. Джон, Прентис (январь–февраль 2016 г.). «The Raworth Demi-car» (PDF) . Tramfare (288). Tramway & Light Railway Society: 5.
13. Bigpanzer (30 апреля 2006 г.). "Susrami Type Locomotoive at Surami Pass". Shorpy. Архивировано из оригинала 23 ноября 2011 г. Получено 31 января 2011 г.
14. Журнал Railvolution, 2/11, Локомотивы Кируны, Часть 1 Архивировано 29 января 2016 г. на Wayback Machine
15. Нэсс, Пер (3 августа 2007 г.). «Эвигетмаскинер». Фремовер (на норвежском языке). п. 28.
16. Харт, Ли А. (28 декабря 2013 г.). "Контроллеры электромобилей". Архивировано из оригинала 4 мая 2014 г. Получено 4 мая 2014 г.
17. Лено, Джей (1 мая 2007 г.). «Электромобиль, которому 100 лет». Popular Mechanics. Архивировано из оригинала 4 мая 2014 г. Получено 4 мая 2014 г.
18. Фёлькер, Джон (10 января 2014 г.). «Интересные факты об электромобилях: когда впервые было использовано рекуперативное торможение?». Green Car Reports .
19. Ayres, Robert U.; McKenna, Richard P. (1972). "Электромобиль". Альтернативы двигателю внутреннего сгорания: влияние на качество окружающей среды . Johns Hopkins University Press. стр. 219. ISBN 978-0-8018-1369-6. Получено 4 мая 2014 г.
20. "Рекуперативное торможение повышает экологичность". Railway Gazette International . 2 июля 2007 г. Архивировано из оригинала 11 марта 2014 г. Получено 11 марта 2014 г.
21. "Delhi Metro предотвращает выбросы 90 000 тонн CO2". India Times . 23 февраля 2009 г. Архивировано из оригинала 26 февраля 2009 г. Получено 14 августа 2010 г.
22. "Flywheel firm launches". Railway Gazette . 20 января 2011 г. Архивировано из оригинала 18 июня 2012 г. Получено 11 марта 2014 г.
23. "Milestones Reached on the Jubilee and Victoria Lines". London Reconnections. 2 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 11 марта 2014 г. Получено 11 марта 2014 г.
24. Соломон, Брайан (2014). Локомотивы GE и EMD. Voyageur Press. С. 59–61. ISBN 9781627883979.
25. Panzariu, Ovidiu (28 января 2011 г.). "Team Lotus, Virgin, HRT F1 начнут 2011 год без KERS". Autoevolution . Архивировано из оригинала 4 февраля 2011 г. . Получено 1 июня 2011 г. .
26. Комментарий BBC TV о Гран-при Германии 2009 года
27. Избранные статьи Ричарда Фейнмана: (с комментариями) под редакцией Лори М. Браун, стр. 952
28. Flybrid Systems LLP (10 сентября 2010 г.). "Flybrid Systems". Flybrid Systems. Архивировано из оригинала 13 июля 2010 г. Получено 17 сентября 2010 г.
29. "Обзор системы IVT". Torotrak . Архивировано из оригинала 14 октября 2008 г. Получено 4 октября 2019 г.
30. "Torotrak, Xtrac & CVT pdf" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2011 . Получено 17 сентября 2010 .
31. BHR Technology. "Cpc-Kers". Bhr-technology.com. Архивировано из оригинала 7 июля 2011 г. Получено 17 сентября 2010 г.
32. "Комментарий команд об экологическом будущем Формулы-1". FIA. 8 октября 2008 г. Архивировано из оригинала 28 декабря 2008 г. Получено 14 января 2009 г.
33. "Технический регламент Формулы-1 2009 года" (PDF) . FIA. 22 декабря 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 25 июня 2008 г. Получено 22 декабря 2006 г.
34. Руководство FIA (22 декабря 2006 г.). "ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ ФОРМУЛЫ 1 2009 ГОДА" (PDF) . FIA. Архивировано из оригинала (PDF) 25 июня 2008 г. . Получено 8 июля 2008 г. .
35. "Отказ KERS вызвал пожарную тревогу у Red Bull". autosport.com. 17 июля 2008 г. Архивировано из оригинала 22 июля 2008 г. Получено 22 июля 2008 г.
36. "Механик BMW избежал страха перед KERS". autosport.com. 22 июля 2008 г. Архивировано из оригинала 24 июля 2008 г. Получено 22 июля 2008 г.
37. Whyatt, Chris (30 августа 2009 г.). «Райкконен выигрывает захватывающую дуэль в Спа». BBC. Архивировано из оригинала 17 мая 2014 г. Получено 30 августа 2009 г.
38. "Системы рекуперации кинетической энергии (KERS)". Formula1.com. Архивировано из оригинала 6 июля 2010 года . Получено 14 августа 2010 года .
39. "formula1.com/". formula1.com. Архивировано из оригинала 16 декабря 2010 года . Получено 4 декабря 2010 года .
40. Бенсон, Эндрю (23 июня 2010 г.). «Изменения, внесенные в F1l». BBC. Архивировано из оригинала 23 июня 2010 г. Получено 23 июня 2010 г.
41. "Формула 1 откладывает внедрение "зеленых" двигателей до 2014 года". bbc.co.uk. 29 июня 2011 г. Получено 27 июня 2011 г.
42. "Bosch Developing Modular KERS Systems for Range of Motorsport Applications". Green Car Congress. 18 ноября 2008 г. Архивировано из оригинала 5 сентября 2010 г. Получено 27 апреля 2010 г.
43. «Продажи автомобилей Sixt | Gebrauchtwagen günstig kaufen» (на немецком языке). Архивировано из оригинала 29 сентября 2009 года . Проверено 15 декабря 2010 г.
44. "Peugeot Sport Hybrid". Racecar Engineering. 13 сентября 2008 г. Архивировано из оригинала 13 января 2009 г. Получено 13 сентября 2008 г.
45. "Hybrid Air, инновационная полностью гибридная бензиновая система". PSA-Peugeot-Citroen. Архивировано из оригинала 4 мая 2014 года . Получено 4 мая 2014 года .
46. "The Car That Runs on Air". Popular Science. 25 февраля 2014 г. Архивировано из оригинала 2 марта 2014 г. Получено 4 мая 2014 г.
47. Лоуренс Бутчер (18 сентября 2008 г.). «F1 KERS; McLaren на трассе с KERS | People». Racecar Engineering. Архивировано из оригинала 22 сентября 2008 г. Получено 14 августа 2010 г.
48. McLaren будет работать с Freescale над KERS Архивировано 8 июня 2011 г. на Wayback Machine 12 ноября 2008 г.
49. "Гибридный гоночный автомобиль Toyota выигрывает гонку Tokachi 24-Hour Race; двигатели в колесах и суперконденсаторы". Green Car Congress. 17 июля 2007 г. Архивировано из оригинала 17 мая 2011 г. Получено 17 сентября 2010 г.
50. "BMW EfficientDynamics: Рекуперация энергии торможения". www.bmw.com . Архивировано из оригинала 6 января 2016 года . Получено 3 января 2016 года .
51. "BlueMotion Technology – Technical glossary – Volkswagen Technology & Service | VW Australia". www.volkswagen.com.au . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Получено 3 января 2016 года .
52. "KTM побеждает F1 с секретным дебютом KERS! | Новости MotoGP | Февраль 2009". Crash.Net. 4 февраля 2009. Архивировано из оригинала 23 мая 2011 года . Получено 14 августа 2010 года .
53. "Технические правила ACO 2008 для прототипов классов "LM"P1 и "LM"P2, страница 3" (PDF) . Automobile Club de l'Ouest (ACO). 20 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 25 июня 2008 г. Получено 20 января 2008 г.
54. Сэм Коллинз (13 сентября 2008 г.). "Peugeot Sport Hybrid | People". Racecar Engineering. Архивировано из оригинала 13 января 2009 г. Получено 14 августа 2010 г.
55. «Почему больше велосипедов не используют рекуперативное торможение?». EVELO . 8 сентября 2020 г. Получено 15 мая 2023 г.
56. "Исследования гидравлического гибридного велосипеда". EPA . Архивировано из оригинала 17 октября 2013 г.
57. Лэмптон, Кристофер (23 января 2009 г.). «Как работает рекуперативное торможение». HowStuffWorks.com . Получено 4 октября 2019 г. .
58. «Куда направляются рекуперативные тормоза?». greeninginc.com . 27 декабря 2018 г.
59. Берман, Брэдли (15 января 2019 г.). «Лучшие и худшие электромобили для рекуперативного торможения». InsideEVs . Получено 4 октября 2019 г.
60. Varocky, BJ (январь 2011 г.). "Benchmarking of Regenerative Braking for a Fully Electric Car" (PDF) . Technische Universiteit Eindhoven (TU/e). Архивировано из оригинала (PDF) 26 ноября 2019 г. . Получено 10 октября 2019 г. .
61. Уайт, Рональд Д. (27 мая 2015 г.). «Производитель тележек из Чатсуорта добился успеха». Los Angeles Times . Получено 28 мая 2016 г.
62. "TIG/m Modern Street Railways поставляет самые экологичные трамваи в мире на Арубу в рамках перехода острова к 100% устойчивому развитию". altenergymag.com . 27 марта 2013 г. . Получено 29 мая 2024 г.
63. "Полностью электрические транспортные средства". Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии - Министерство энергетики США . Получено 29 января 2021 г.
64. Жан-Марк Янковичи (1 октября 2017 г.). «Является ли электромобиль идеальным решением для мобильности будущего?». jancovici.com . Получено 29 января 2021 г. .
65. Шварцер, Кристоф М. (21 марта 2019 г.). «Bremsenergierückgewinnung und ihr Wirkungsgrad» [Рекуперация энергии торможения и ее эффективность]. heise online — heise Autos (на немецком языке).