Регенеративное торможение

Механизм рекуперации энергии

Механизм рекуперативного тормоза на крыше трамвая Škoda Astra

Запас S7 /8 в лондонском метро может вернуть около 20% потребляемой энергии в источник питания. ^[1]

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

Обычно рекуперативные тормоза работают за счет вращения электродвигателя 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 энергии назад через систему, подобная этой, позволяет энергии, полученной в результате замедления, пополнять запасы системы хранения энергии, такой как конденсаторы батареи; После сохранения эта энергия может быть позже использована для движения вперед. Из-за архитектуры электрифицированного автомобиля, необходимой для такой тормозной системы, автомобильные рекуперативные тормоза чаще всего встречаются на гибридных и электрических транспортных средствах.

Этот метод отличается от обычных тормозных систем, в которых избыточная кинетическая энергия преобразуется в нежелательное и бесполезное тепло из-за трения в тормозах . Аналогичным образом, при использовании реостатических тормозов энергия восстанавливается за счет использования 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, используемые в тех случаях, когда одного рекуперативного торможения недостаточно для безопасной остановки автомобиля, изнашиваются не так быстро, как в автомобиле, использующем исключительно традиционные тормоза. .

Основной принцип

Наиболее распространенная форма рекуперативного тормоза включает в себя электродвигатель , работающий как электрический генератор. На электрических железных дорогах вырабатываемая электроэнергия возвращается в тяговую сеть . В аккумуляторных электромобилях и гибридных электромобилях энергия хранится химически в батарее , электрически в батарее конденсаторов или механически во вращающемся маховике . Гидравлические гибридные автомобили используют гидравлические двигатели для хранения энергии в виде сжатого воздуха . В автомобиле, работающем на водородных топливных элементах , электрическая энергия, генерируемая двигателем, химически сохраняется в аккумуляторе, подобно аккумуляторным и гибридным электромобилям. ^[2]

Практичное рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение само по себе недостаточно в качестве единственного средства безопасной остановки транспортного средства или его замедления по мере необходимости, поэтому его необходимо использовать в сочетании с другой тормозной системой, такой как торможение на основе трения .

• Эффект рекуперативного торможения снижается на более низких скоростях и не может достаточно быстро полностью остановить транспортное средство 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 «Вождение с одной педалью».
• Современные рекуперативные тормоза не обездвиживают неподвижное транспортное средство; требуется физическая блокировка , например, для предотвращения скатывания транспортных средств с холма.
• Многие дорожные транспортные средства с рекуперативным торможением не имеют приводных двигателей на всех колесах (как в полноприводном автомобиле); рекуперативное торможение обычно применимо только к колесам с электродвигателями. В целях безопасности требуется возможность тормозить все колеса.
• Доступный эффект рекуперативного торможения ограничен, и механическое торможение по-прежнему необходимо для существенного снижения скорости, остановки автомобиля или удержания автомобиля в неподвижном состоянии.
• На реальных холмах с реальной скоростью движения величина потенциальной энергии, восстанавливаемой при спуске транспортного средства со скоростью, меньшей, чем его конечная скорость, существенно больше, чем та, которую можно восстановить, доведя транспортное средство даже с конечной скорости до полной остановки. Пример, используемый велосипедистами, заключается в том, что во время спуска с холма из-за сопротивления воздуха на предельных скоростях теряется мощность примерно трех фенов или около двух лошадиных сил. (Нужна цитата))

Необходимо использовать как рекуперативное, так и фрикционное торможение, поэтому необходимо контролировать их для обеспечения необходимого общего торможения. GM EV-1 был первым коммерческим автомобилем, сделавшим это. В 1997 и 1998 годах инженеры Абрахам Фараг и Лорен Майерсик получили два патента на эту технологию электродистанционного торможения . ^{[3] [4]}

Ранние приложения обычно создавали серьезную угрозу безопасности: во многих ранних электромобилях с рекуперативным торможением одни и те же положения контроллера использовались для подачи питания и включения рекуперативного тормоза, при этом функции переключались с помощью отдельного ручного переключателя. Это привело к ряду серьезных аварий, когда водители случайно увеличили скорость, намереваясь затормозить, например, авария сбежавшего поезда в Веденсвиле, Швейцария , в 1948 году, в результате которой погиб двадцать один человек.

Преобразование в электрическую энергию: двигатель как генератор

Tesla Model S P85+ с мощностью рекуперативного торможения, превышающей 60 кВт. Во время рекуперативного торможения индикатор питания горит зеленым.

Электродвигатели при использовании в обратном направлении действуют как генераторы и затем преобразуют механическую энергию в электрическую. Транспортные средства, приводимые в движение электродвигателями, используют их в качестве генераторов при рекуперативном торможении, торможении путем передачи механической энергии от колес к электрической нагрузке.

История

В 1886 году компания Sprague Electric Railway & Motor Company, основанная Фрэнком Дж. Спрэгом , представила два важных изобретения: искробезопасный двигатель с постоянной скоростью и фиксированными щетками и рекуперативное торможение.

Ранними примерами этой системы в дорожных транспортных средствах были переднеприводные конные такси , выполненные Луи Антуаном Кригером в Париже в 1890-х годах. Электрический ландоле Кригера имел приводной двигатель в каждом переднем колесе со вторым набором параллельных обмоток ( бифилярная катушка ) для рекуперативного торможения. ^[5] В электрогрузовике Orwell, представленном компанией Ransomes, Sims & Jefferies в Англии во время Первой мировой войны, использовалось рекуперативное торможение, включаемое водителем.

В Англии «автоматическое регенеративное управление» было представлено операторам трамвая благодаря патентам на тягу Джона С. Раворта 1903–1908 годов, предлагая им экономические и эксплуатационные преимущества ^{[6] [7] [8]} , как это подробно объяснил его сын Альфред Раворт . В их число входили трамвайные системы в Девонпорте (1903 г.), Роутенстолле , Бирмингеме , Кристал Пэлас-Кройдоне (1906 г.) и многих других. Замедляя скорость автомобилей или сохраняя контроль над ними на спусках, моторы работали как генераторы и тормозили машины. Трамвайные вагоны также имели колесные тормоза и путевые тормоза, которые могли остановить трамвай в случае выхода из строя электрических тормозных систем. В некоторых случаях двигатели трамвайных вагонов имели шунтовую обмотку, а не последовательную, а в системах на линии Crystal Palace использовались последовательно-параллельные контроллеры. ^{[ необходимы разъяснения ] [9]} После серьезной аварии в Роутенстолле в 1911 году на эту форму тяги было наложено эмбарго; ^[10] Система рекуперативного торможения была вновь введена в действие двадцать лет спустя. ^[8]

Регенеративное торможение широко используется на железных дорогах на протяжении многих десятилетий. На железной дороге Баку-Тбилиси-Батуми ( Закавказская железная дорога или Грузинская железная дорога) рекуперативное торможение начало использоваться в начале 1930-х годов. Это было особенно эффективно на крутом и опасном перевале Сурами . ^[11] В Скандинавии электрифицированная железная дорога Кируна-Нарвик, известная как Мальмбанан на шведской стороне и линия Офотен на норвежской, перевозит железную руду по крутому маршруту от рудников в Кируне , на севере Швеции, до порт Нарвик в Норвегии по сей день. На пути в Нарвик железнодорожные вагоны полны тысяч тонн железной руды , и эти поезда вырабатывают большое количество электроэнергии за счет рекуперативного торможения с максимальной рекуперативной тормозной силой 750  кН . От Риксгрансена на национальной границе до порта Нарвик поезда ^[12] используют лишь пятую часть энергии, которую они регенерируют. ^{[ неудачная проверка ]} Восстановленной энергии достаточно, чтобы обеспечить питанием пустые поезда до национальной границы. ^{[13] [ не удалось проверить ]} Любая избыточная энергия от железной дороги перекачивается в энергосистему для снабжения домов и предприятий в регионе, а железная дорога является чистым генератором электроэнергии. ^{[ нужна цитата ]}

Электромобили использовали рекуперативное торможение с самых ранних экспериментов, но изначально для его использования водителю требовалось переключать различные режимы работы. Baker Electric Runabout и Owen Magnetic были ранними примерами, в которых использовалось множество переключателей и режимов, управляемых дорогим «черным ящиком» или «барабанным переключателем» как часть их электрической системы. ^{[14] [15]} Их, как и конструкцию Кригера, практически можно было использовать только на участках спуска, и их приходилось включать вручную.

Усовершенствования в электронике позволили полностью автоматизировать этот процесс, начиная с экспериментального электромобиля AMC Amitron 1967 года. ^[16] Разработанный компанией Gulton Industries ^[17] контроллер двигателя автоматически начинал зарядку аккумулятора при нажатии педали тормоза. Многие современные гибридные и электромобили используют этот метод для увеличения запаса хода аккумуляторной батареи, особенно в тех, которые используют трансмиссию переменного тока (большинство более ранних моделей использовали мощность постоянного тока).

Для хранения регенерированной энергии можно использовать выпрямитель переменного/постоянного тока и очень большой конденсатор, а не батарею. Использование конденсатора позволяет гораздо быстрее сохранять пиковую энергию при более высоких напряжениях. Mazda использовала эту систему в некоторых автомобилях 2018 года под брендом i-ELOOP.

Электрические железные дороги

Во время торможения соединения тяговых двигателей изменяются, превращаясь в электрические генераторы. Поля двигателя подключены параллельно главному тяговому генератору (МГ), а якоря двигателя подключены параллельно нагрузке. Теперь МГ возбуждает двигательные поля. Вращающиеся колеса локомотива или составного агрегата вращают якоря двигателей, а двигатели действуют как генераторы, либо отправляя генерируемый ток через бортовые резисторы ( динамическое торможение ), либо обратно в источник питания (регенеративное торможение). По сравнению с электропневматическими фрикционными тормозами торможение с помощью тяговых двигателей можно регулировать быстрее, улучшая эффективность защиты от скольжения колес .

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

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

Для самолетов British Rail класса 390 заявлена ​​экономия в 17% и меньший износ компонентов фрикционного тормоза . ^[18] Метро Дели сократило количество углекислого газа ( CO
₂) выброшено в атмосферу примерно 90 000 тонн за счет регенерации 112 500 мегаватт-часов электроэнергии за счет использования систем рекуперативного торможения в период с 2004 по 2007 год. Ожидалось, что метро Дели сократит выбросы более чем на 100 000 тонн CO .
₂в год после завершения второго этапа за счет использования рекуперативного торможения. ^[19]

Электричество, вырабатываемое за счет рекуперативного торможения, может быть возвращено в тяговый источник питания; либо компенсируется другим потреблением электроэнергии в сети в данный момент, используется для силовых нагрузок головного узла , либо сохраняется в линейных системах хранения для последующего использования. ^[20]

В некоторых частях лондонского метрополитена используется форма того, что можно назвать рекуперативным торможением , что достигается за счет небольших уклонов, ведущих вверх и вниз от станций. Поезд замедляется на подъеме, а затем съезжает со склона, поэтому кинетическая энергия преобразуется на станции в гравитационную потенциальную энергию . ^[21] Обычно это встречается на участках глубоких туннелей сети, а не на надземных участках или на вырезанных и закрытых участках городских и районных линий.

Сравнение динамических и рекуперативных тормозов

Коробка, выступающая вбок от крыши прямо над надписью «работа», позволяет воздуху беспрепятственно проходить через резисторы динамических тормозов этого дизель-электровоза.

То, что описывается как динамические тормоза (« реостатические тормоза » на британском английском языке) в системах электрической тяги, в отличие от рекуперативных тормозов, рассеивает электрическую энергию в виде тепла, а не использует ее, пропуская ток через большие группы резисторов . К транспортным средствам, использующим динамические тормоза, относятся вилочные погрузчики , дизель-электрические локомотивы и трамваи . Это тепло можно использовать для обогрева салона автомобиля или рассеивать его снаружи с помощью больших радиатороподобных кожухов, в которых размещаются блоки резисторов.

Экспериментальные паротурбинные локомотивы General Electric 1936 года отличались настоящей регенерацией. Эти два локомотива пропускали водяной пар через блоки резисторов, в отличие от воздушного охлаждения, используемого в большинстве динамических тормозов. Эта энергия вытеснила нефть, обычно сжигаемую для поддержания горячей воды, и тем самым восстановила энергию, которую можно было использовать для повторного ускорения. ^[22]

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

В областях, где существует постоянная потребность в электроэнергии, не связанной с движением транспортного средства, например, для отопления электропоездов или кондиционирования воздуха , эта потребность в нагрузке может быть использована в качестве приемника рекуперированной энергии с помощью современных тяговых систем переменного тока . Этот метод стал популярным на пассажирских железных дорогах Северной Америки, где силовая нагрузка на головном конце обычно составляет около 500 кВт круглый год. Использование HEP-нагрузок таким образом побудило последние конструкции электровозов, такие как ALP-46 и ACS-64 , отказаться от использования сеток динамических тормозных резисторов, а также устранить любую необходимость в какой-либо внешней энергетической инфраструктуре для обеспечения рекуперации энергии, что позволяет транспортным средствам с автономным питанием. также использовать рекуперативное торможение.

На небольшом количестве железных дорог с крутым уклоном используются трехфазные 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 автоспортивном сезоне Формулы-1 в 2009 году и находятся в стадии разработки для дорожных транспортных средств. KERS был заброшен в сезоне Формулы-1 2010 года , но вновь введен в эксплуатацию в сезоне 2011 года . К 2013 году все команды использовали KERS, а Marussia F1 начала использовать его в сезоне 2013 года. ^[23] Одна из основных причин того, что не все автомобили сразу использовали KERS, заключается в том, что он поднимает центр тяжести автомобиля и уменьшает количество балласта , доступного для балансировки автомобиля, чтобы он был более предсказуемым при повороте. ^[24] Правила FIA также ограничивают эксплуатацию системы. Концепция передачи кинетической энергии транспортного средства с использованием накопителя энергии маховика была постулирована физиком Ричардом Фейнманом в 1950-х годах ^[25] и проиллюстрирована в таких системах, как Zytek , Flybrid, ^[26] Torotrak ^{[27] [28]} и Xtrac, используемых в Ф1. Также существуют системы на основе дифференциала , такие как Кембриджская система рекуперации кинетической энергии пассажирских/коммерческих транспортных средств (CPC-KERS). ^[29]

Xtrac и Flybrid являются лицензиатами технологий Torotrak, в которых используется небольшая и сложная вспомогательная коробка передач, включающая бесступенчатую трансмиссию (CVT). CPC-KERS аналогичен, поскольку он также является частью трансмиссии. Однако весь механизм, включая маховик, полностью расположен в ступице автомобиля (выглядит как барабанный тормоз). В CPC-KERS дифференциал заменяет вариатор и передает крутящий момент между маховиком , ведущим колесом и опорным катком.

Мотоспорт

Система рекуперации кинетической энергии Flybrid Systems.

Первой из этих систем, которая была представлена, была Flybrid. Эта система весит 24 кг и имеет энергетическую мощность 400 кДж с учетом внутренних потерь. Доступен максимальный прирост мощности 60 кВт (82 л.с., 80 л.с.) за 6,67 секунды. 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-фунта). Система занимает объем 13 литров. ^{[ нужна цитата ]}

Формула один

Маховик KERS

Формула-1 заявила, что поддерживает ответственные решения мировых экологических проблем, ^[30] а FIA разрешила использование KERS мощностью 60 кВт (82 л.с., 80 л.с.) в регламенте сезона Формулы-1 2009 года . ^[31] 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 батарее или суперконденсаторе ). ^[32]

Во время тестирования систем KERS в 2008 году было зарегистрировано два незначительных инцидента . Первый произошел, когда команда Red Bull Racing впервые протестировала свою батарею KERS в июле: она вышла из строя и вызвала пожар, который привел к эвакуации завода команды. ^[33] Второй произошел менее чем через неделю, когда механик BMW Sauber получил удар током, когда он коснулся автомобиля Кристиана Клиена , оборудованного KERS, во время тестов на трассе в Хересе . ^[34]

С введением KERS в сезоне 2009 года в какой-то момент сезона его использовали четыре команды: Ferrari , Renault , BMW и McLaren . По ходу сезона Renault и BMW прекратили использование системы. McLaren Mercedes стала первой командой, выигравшей Гран-при Формулы-1 на автомобиле, оборудованном 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 KERS, а его товарищ по команде Хейкки Ковалайнен занял второе место в квалификации. Это также был первый экземпляр первого ряда, полностью построенный на KERS. 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: Джанкарло Физикелла , занявший второе место , заявил: «На самом деле я был быстрее Кими. Он взял меня только из-за KERS в начале». ^[35]

Хотя KERS все еще был легален в Формуле-1 в сезоне 2010 года, все команды согласились не использовать его. ^[36] Новые правила сезона Формулы-1 2011 года, которые увеличили минимальный предел веса автомобиля и водителя на 20 кг до 640 кг, ^[37] наряду с согласием команд FOTA на использование устройств KERS еще раз, означали, что KERS вернулся. на сезон 2011 года. ^[38] Это по-прежнему необязательно, как и в сезоне 2009 года; в сезоне 2011 года три команды решили не использовать его. ^[23] В сезоне 2012 года только Marussia и HRT выступали без KERS, а к 2013 году, с прекращением HRT, все 11 команд в стартовой решетке использовали KERS.

В сезоне 2014 года мощность МГУ-К (Замена КЭРС и части системы ЭРС, включающей также систему рекуперации отходящего тепла турбокомпрессора ) была увеличена с 60 кВт до 120 кВт и позволена рекуперация 2 мегаджоули на круг. Это должно было сбалансировать переход от 2,4-литровых двигателей V8 к 1,6-литровым двигателям V6. ^[39] Безопасные настройки системы электронного торможения , которая теперь дополняет KERS, стали предметом исследования 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 функций гибрида и двигателя включают в себя литий-ионную батарею масштабируемой емкости или маховик , электродвигатель от четырех до восьми килограммов (с максимальным уровнем мощности 60 кВт или 80 л.с.), а также контроллер KERS для управление питанием и аккумулятором. Bosch также предлагает ряд электрических гибридных систем для коммерческого и легкого транспорта. ^[40]

Автопроизводители

Автопроизводители, включая Honda, тестируют системы KERS. ^[41] На дистанции 1000 км в Сильверстоуне в 2008 году компания Peugeot Sport представила Peugeot 908 HY , гибридный электрический вариант дизельного 908 с KERS. Peugeot планировала выставить машину в сезоне серии Ле-Ман 2009 года , хотя она не была способна набрать чемпионские очки. ^[42] Peugeot планирует также использовать трансмиссию с рекуперативным торможением на сжатом воздухе под названием Hybrid Air. ^{[43] [44]}

McLaren начала испытания своего KERS в сентябре 2008 года на испытательном треке в Хересе в рамках подготовки к сезону Формулы-1 2009 года, хотя на тот момент еще не было известно, будет ли они использовать электрическую или механическую систему. ^[45] В ноябре 2008 года было объявлено, что Freescale Semiconductor будет сотрудничать с McLaren Electronic Systems для дальнейшей разработки KERS для болида McLaren Формулы-1, начиная с 2010 года. Обе стороны считали, что это сотрудничество улучшит систему KERS McLaren и поможет ей адаптироваться к технологиям дорожных автомобилей. ^[46]

Toyota использовала суперконденсатор для регенерации на гибридном гоночном автомобиле Supra HV-R, который выиграл гонку «24 часа Токачи» в июле 2007 года ^.

BMW использовала рекуперативное торможение в своей E90 3-й серии, а также в современных моделях, таких как F25 5-й серии, под названием EfficientDynamics. ^[48] ​​Volkswagen использует 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 . ^[49]

Мотоциклы

Руководитель гонок KTM Харальд Бартол рассказал, что завод участвовал в гонках с секретной системой рекуперации кинетической энергии (KERS), установленной на мотоцикле Томми Коямы , во время завершающего сезон 125- кубового Гран-при Валенсии 2008 года . Это было против правил, поэтому впоследствии им запретили это делать. ^[50]

Гонки

Автомобильный клуб de l'Ouest , организатор ежегодных соревнований « 24 часа Ле-Мана» ^и серии Ле-Ман , в 2007 году «изучал конкретные правила для LMP1 , который будет оснащен системой рекуперации кинетической энергии» . первый производитель, представивший полностью функциональный автомобиль LMP1 в форме 908 HY на гонке Autosport 1000 км 2008 года в Сильверстоуне. ^[52]

Гражданский транспорт

Велосипеды

На электрических велосипедах в принципе можно использовать рекуперативное торможение. Однако по состоянию на 2023 год он редко используется на велосипедах, главным образом потому, что для него требуется ступичный двигатель с прямым приводом (в то время как во многих велосипедах используется двигатель со средним приводом, который приводит в движение цепь), а также потому, что его нельзя комбинировать с механизмом свободного хода . Кроме того, количество регенерируемой энергии обычно слишком мало, чтобы его можно было использовать. ^[53]

Регенеративное торможение также возможно на неэлектрическом велосипеде. Агентство по охране окружающей среды США в сотрудничестве со студентами Мичиганского университета разработало гидравлическую систему рекуперативного торможения (RBLA). ^[54]

Легковые автомобили

Многие гибридные электрические и полностью электрические транспортные средства используют рекуперативное торможение в сочетании с фрикционным торможением. ^[55] Системы рекуперативного торможения не способны полностью имитировать обычные функции торможения для водителей, но улучшения продолжаются. ^[56] Калибровки, используемые для определения того, когда энергия будет рекуперироваться и когда используется фрикционное торможение для замедления транспортного средства, влияют на то, как водитель ощущает тормозное действие. ^{[57] [58]}

Термодинамика

КЕРС маховик

Энергию маховика можно описать этим общим уравнением энергии, предполагая, что маховик представляет собой систему:

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

где

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

Сделано предположение, что при торможении не происходит изменения потенциальной энергии, энтальпии маховика, давления или объема маховика, поэтому будет учитываться только кинетическая энергия. Когда автомобиль тормозит, маховик не рассеивает энергию, и единственной энергией, поступающей в маховик, является начальная кинетическая энергия автомобиля. Уравнение можно упростить до:

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

где

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

Маховик собирает процент начальной кинетической энергии автомобиля, и этот процент можно представить как . Маховик сохраняет энергию в виде кинетической энергии вращения. 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 оно ограничено максимальным количеством кинетической энергии вращения. Это определяется на основе инерции маховика и его угловой скорости . Когда автомобиль стоит на холостом ходу, со временем теряется небольшая кинетическая энергия вращения, поэтому можно предположить, что начальное количество энергии в маховике равно конечному количеству энергии, распределяемой маховиком. Таким образом, количество кинетической энергии, распределяемой маховиком, равно: ${\displaystyle \eta _{\text{fly}}}$

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

Регенеративные тормоза

Рекуперативное торможение имеет уравнение энергии, аналогичное уравнению механического маховика. Регенеративное торможение — это двухэтапный процесс, в котором участвуют двигатель/генератор и аккумулятор. Первоначальная кинетическая энергия преобразуется генератором в электрическую энергию, а затем аккумулятором преобразуется в химическую энергию. Этот процесс менее эффективен, чем маховик. КПД генератора можно представить как:

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

где

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

Единственная работа, совершаемая генератором, — это начальная кинетическая энергия автомобиля, а единственная работа, производимая генератором, — это электрическая энергия. Перестановка этого уравнения для определения мощности, вырабатываемой генератором, дает следующее уравнение:

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

где

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

Эффективность аккумулятора 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 аккумулятора представляет собой количество энергии, вырабатываемой рекуперативными тормозами. Это может быть представлено:

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

В автомобилях

Энергоэффективность автомобилей в городах и на автомагистралях по данным Министерства энергетики

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 КПД обычно 13% в городских условиях и 20% в условиях шоссе. Торможение по отношению к полезной механической энергии составляет 6/13, т.е. 46%, в городах и 2/20, т.е. 10%, на автомагистралях.

Министерство энергетики утверждает, что электромобили преобразуют более 77% электроэнергии из сети в мощность на колесах. ^[59] КПД электромобиля с учетом потерь из-за электрической сети, отопления и кондиционирования воздуха составляет около 50% по данным Жана-Марка Янковичи ^[60] (однако для общего преобразования см. «Воплощенная энергия#Воплощенная энергия»). в сфере энергетики ).

Учитывайте эффективность электродвигателя и коэффициент торможения в городах и на автомагистралях . ${\displaystyle \eta _{\text{eng}}=0.5}$ ${\displaystyle p=0.46}$ ${\displaystyle p=0.1}$

Введем, какова доля рекуперируемой энергии торможения. Предположим . ^[61] ${\displaystyle \eta _{\text{recup}}}$ ${\displaystyle \eta _{\text{recup}}=0.6}$

Описание потока энергии при рекуперативном торможении

В этих условиях, 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 сменился новым. ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle E\cdot (1-\eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}})}$

Ожидаемый выигрыш 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 (проектный)
• Регенеративный амортизатор
• Гибридный синергетический привод
• Воздушная турбина Ram
• Динамическое торможение
• Электрический двигатель
• Часы с автоподзаводом
• Тормозной ход
• Электромагнитная муфта
• Вихретоковый тормоз

Рекомендации

1. «Трансформация трубки» (PDF) . Транспорт для Лондона. Июль 2008 г. Архивировано из оригинала (PDF) 5 июня 2011 г. . Проверено 28 мая 2009 г.
2. «Как работают электромобили на топливных элементах, использующие водород?» Центр обработки данных по альтернативным видам топлива . Министерство энергетики США . Проверено 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 главный цилиндр - Лорен Майерсик, Авраам Фараг .
5. Дэйв (16 марта 2009 г.). «Безлошадная повозка: 1906 год». Шорпи. Архивировано из оригинала 25 июля 2011 года . Проверено 14 августа 2010 г.
6. Раворт, А. (1907). «Регенеративное управление электрическими трамваями и локомотивами». Журнал Института инженеров-электриков . 38 (182): 374–386. дои : 10.1049/jiee-1.1907.0020.
7. «Обсуждение «Рекуперативного торможения электромобилей» (Хельмунд), Питтсбург, Пенсильвания» . Труды Американского института инженеров-электриков . 36:68 . 1917 . Проверено 11 марта 2014 г.
8. Джно, Струан; Робертсон, Т.; Маркхэм, Джон Д. (2007). История рекуперативного торможения . Шотландское трамвайное и транспортное общество.
9. Мир транспорта Мир трамвая и железных дорог. Том. ХХ. Издательство перевозчиков. Июль – декабрь 1906 г. с. 20 . Проверено 11 марта 2014 г.
10. Джон, Прентис (январь – февраль 2016 г.). "Полуавтомобиль Raworth" (PDF) . Трамвай . Общество трамвая и легкорельсового транспорта (288): 5.
11. Bigpanzer (30 апреля 2006 г.). «Локомотив типа Сусрами на перевале Сурами». Шорпи. Архивировано из оригинала 23 ноября 2011 года . Проверено 31 января 2011 г.
12. Журнал Railvolution, 2/11, Локомотивы Кируна, Часть 1. Архивировано 29 января 2016 г. в Wayback Machine.
13. Нэсс, Пер (3 августа 2007 г.). «Эвигетмаскинер». Фремовер (на норвежском языке). п. 28.
14. Харт, Ли А. (28 декабря 2013 г.). «Контроллеры электродвигателей». Архивировано из оригинала 4 мая 2014 года . Проверено 4 мая 2014 г.
15. Лено, Джей (1 мая 2007 г.). «100-летний электромобиль». Популярная механика. Архивировано из оригинала 4 мая 2014 года . Проверено 4 мая 2014 г.
16. Фолькер, Джон (10 января 2014 г.). «Пункты об электромобилях: когда впервые было использовано рекуперативное торможение?». Отчеты о зеленых автомобилях .
17. Эйрес, Роберт У.; Маккенна, Ричард П. (1972). «Электромобиль». Альтернативы двигателю внутреннего сгорания: влияние на качество окружающей среды . Издательство Университета Джонса Хопкинса. п. 219. ИСБН 978-0-8018-1369-6. Проверено 4 мая 2014 г.
18. «Регенеративное торможение повышает экологичность» . Железнодорожный вестник Интернэшнл . 2 июля 2007 г. Архивировано из оригинала 11 марта 2014 г. Проверено 11 марта 2014 г.
19. «Метро Дели предотвращает выбросы 90 000 тонн CO2» . Индия Таймс . 23 февраля 2009 г. Архивировано из оригинала 26 февраля 2009 г. . Проверено 14 августа 2010 г.
20. «Запуск фирмы «Маховик»» . Железнодорожный вестник . 20 января 2011 года. Архивировано из оригинала 18 июня 2012 года . Проверено 11 марта 2014 г.
21. «Вехи, достигнутые на линиях Юбилея и Виктории» . Лондонские воссоединения. 2 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 11 марта 2014 г. . Проверено 11 марта 2014 г.
22. Соломон, Брайан (2014). Локомотивы GE и EMD. Вояджер Пресс. стр. 59–61. ISBN 9781627883979.
23. Панзариу, Овидиу (28 января 2011 г.). «Команда Lotus, Virgin, HRT F1 начнет 2011 год без KERS». Автоэволюция . Архивировано из оригинала 4 февраля 2011 года . Проверено 1 июня 2011 г.
24. Комментарий BBC TV о Гран-при Германии 2009 года.
25. Избранные статьи Ричарда Фейнмана: (с комментариями) под редакцией Лори М. Браун, стр.952
26. ТОО Flybrid Systems (10 сентября 2010 г.). «Флайбрид Системс». Флайбридные системы. Архивировано из оригинала 13 июля 2010 года . Проверено 17 сентября 2010 г.
27. «Обзор системы IVT». Торотрак . Архивировано из оригинала 14 октября 2008 года . Проверено 4 октября 2019 г.
28. «Torotrak, Xtrac и CVT в формате PDF» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2011 года . Проверено 17 сентября 2010 г.
29. Технология BHR. «ЦПК-Керс». Bhr-technology.com. Архивировано из оригинала 7 июля 2011 года . Проверено 17 сентября 2010 г.
30. «Команды комментируют экологическое будущее Формулы-1» . ФИА. 8 октября 2008 г. Архивировано из оригинала 28 декабря 2008 г. Проверено 14 января 2009 г.
31. «Технический регламент Формулы-1 2009 года» (PDF) . ФИА. 22 декабря 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 25 июня 2008 г. . Проверено 22 декабря 2006 г.
32. Руководство FIA (22 декабря 2006 г.). «ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ ФОРМУЛЫ-ОДИН 2009 ГОДА» (PDF) . ФИА. Архивировано из оригинала (PDF) 25 июня 2008 года . Проверено 8 июля 2008 года .
33. «Отказ KERS вызвал панику в Red Bull» . autosport.com. 17 июля 2008 года. Архивировано из оригинала 22 июля 2008 года . Проверено 22 июля 2008 г.
34. «Механик BMW избегает паники KERS» . autosport.com. 22 июля 2008 г. Архивировано из оригинала 24 июля 2008 г. Проверено 22 июля 2008 г.
35. Уятт, Крис (30 августа 2009 г.). «Райкконен выигрывает захватывающую дуэль в Спа». Би-би-си. Архивировано из оригинала 17 мая 2014 года . Проверено 30 августа 2009 г.
36. «Системы рекуперации кинетической энергии (KERS)» . Формула1.com. Архивировано из оригинала 6 июля 2010 года . Проверено 14 августа 2010 г.
37. "formula1.com/". формула1.com. Архивировано из оригинала 16 декабря 2010 года . Проверено 4 декабря 2010 г.
38. Бенсон, Эндрю (23 июня 2010 г.). «Изменения, внесенные в F1l». Би-би-си. Архивировано из оригинала 23 июня 2010 года . Проверено 23 июня 2010 г.
39. «Формула 1 откладывает внедрение «зеленых» двигателей до 2014 года» . bbc.co.uk. 29 июня 2011 года . Проверено 27 июня 2011 г.
40. «Bosch разрабатывает модульные системы KERS для ряда приложений в автоспорте» . Конгресс зеленых автомобилей. 18 ноября 2008 г. Архивировано из оригинала 5 сентября 2010 г. Проверено 27 апреля 2010 г.
41. "Продажи автомобилей Sixt | Gebrauchtwagen günstig kaufen" (на немецком языке). Архивировано из оригинала 29 сентября 2009 года . Проверено 15 декабря 2010 г.
42. "Пежо Спорт Гибрид" . Гоночная инженерия. 13 сентября 2008 г. Архивировано из оригинала 13 января 2009 г. Проверено 13 сентября 2008 г.
43. «Hybrid Air, инновационная полностью гибридная бензиновая система» . ПСА-Пежо-Ситроен. Архивировано из оригинала 4 мая 2014 года . Проверено 4 мая 2014 г.
44. «Автомобиль, который работает в воздухе» . Популярная наука. 25 февраля 2014 года. Архивировано из оригинала 2 марта 2014 года . Проверено 4 мая 2014 г.
45. Лоуренс Батчер (18 сентября 2008 г.). «F1 KERS; McLaren на пути к KERS | Люди» . Гоночная инженерия. Архивировано из оригинала 22 сентября 2008 года . Проверено 14 августа 2010 г.
46. McLaren будет работать с Freescale над KERS. Архивировано 8 июня 2011 г. в Wayback Machine, 12 ноября 2008 г.
47. «Гибридный гоночный автомобиль Toyota выигрывает 24-часовую гонку Токачи; внутриколесные двигатели и суперконденсаторы» . Конгресс зеленых автомобилей. 17 июля 2007 года. Архивировано из оригинала 17 мая 2011 года . Проверено 17 сентября 2010 г.
48. «BMW EfficientDynamics: Регенерация энергии торможения» . www.bmw.com . Архивировано из оригинала 6 января 2016 года . Проверено 3 января 2016 г.
49. «Технология BlueMotion - Технический глоссарий - Технологии и сервис Volkswagen | VW Австралия» . www.volkswagen.com.au . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 3 января 2016 г.
50. «KTM побеждает F1 секретным дебютом KERS! | Новости MotoGP | Февраль 2009 г.» . Крэш.Нет. 4 февраля 2009 г. Архивировано из оригинала 23 мая 2011 г. . Проверено 14 августа 2010 г.
51. «Технический регламент ACO 2008 г. для прототипов классов «LM» P1 и «LM» P2, страница 3» (PDF) . Автомобильный клуб Запада (ACO). 20 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 25 июня 2008 г. . Проверено 20 января 2008 г.
52. Сэм Коллинз (13 сентября 2008 г.). «Пежо Спорт Гибрид | Люди». Гоночная инженерия. Архивировано из оригинала 13 января 2009 года . Проверено 14 августа 2010 г.
53. «Почему больше велосипедов не используют рекуперативное торможение?» ЭВЕЛО . 8 сентября 2020 г. Проверено 15 мая 2023 г.
54. «Исследование гидравлических гибридных велосипедов». Агентство по охране окружающей среды . Архивировано из оригинала 17 октября 2013 года.
55. Лэмптон, Кристофер (23 января 2009 г.). «Как работает рекуперативное торможение». HowStuffWorks.com . Проверено 4 октября 2019 г.
56. «Куда направляются рекуперативные тормоза?». greeninginc.com . 27 декабря 2018 г.
57. Берман, Брэдли (15 января 2019 г.). «Лучшие и худшие электромобили с точки зрения рекуперативного торможения». ВнутриEVs . Проверено 4 октября 2019 г.
58. Вароки, Би Джей (январь 2011 г.). «Анализ рекуперативного торможения для полностью электрического автомобиля» (PDF) . Технический университет Эйндховена (TU/e) . Проверено 10 октября 2019 г.
59. «Полностью электромобили». Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии – Министерство энергетики США . Проверено 29 января 2021 г.
60. Жан-Марк Янковичи (1 октября 2017 г.). «Является ли электромобиль идеальным решением для мобильности завтрашнего дня?». jancovici.com . Проверено 29 января 2021 г.
61. Шварцер, Кристоф М. (21 марта 2019 г.). «Bremsenergierückgewinnung und ihr Wirkungsgrad» [Рекуперация энергии торможения и ее эффективность]. heise online — heise Autos (на немецком языке).