Рекуперационный тормоз своими руками

Обновлено: 06.07.2024

Системы рекуперативного торможения получили широкое распространение на электрических и гибридных автомобилях. Они встречаются и на электрических велосипедах, хотя и существенно реже. Как работает регенеративное торможение? Очень просто. Электрический мотор гасит кинетическую энергию движения автомобиля, вырабатывая при этом электричество, которое запасается в аккумуляторах. Благодаря энергии рекуперативного торможения увеличивается эффективность электрического велосипеда и расстояние, проезжаемое на одной зарядке аккумуляторов. Именно благодаря системе рекуперативного торможения у Toyota Prius расход топлива не зависит от режима езды — едете ли вы по городу с постоянными остановками или мчитесь по шоссе.

Система рекуперативного торможения на электрических велосипедах устроена гораздо проще, чем на автомобиле. Электровелосипед с регенеративным торможением может только включать и выключать эту функцию. Обычно тормозной мощности электромотора недостаточно и параллельно приходится задействовать обычные тормоза. На электрическом велосипеде регенерация активируется при мягком нажатии на тормозную ручку. При этом можно ощутить, как задействуется система рекуперативного торможения. Если надавить на ручку посильнее, то включаются обычные тормоза. На данный момент система рекуперативного торможения, способная регулировать тормозное усилие, реализована исключительно на электрических велосипедах BionX.

Эффективность системы рекуперативного торможения на велосипеде.

Эффективность использования энергии системы регенеративного торможения зависит от от вашего стиля езды и обилия спусков и подъёмов на маршруте движения. Чем чаще вы останавливаетесь и чем энергичней вы любите тормозить, тем больший эффект вы получите. В среднем система регенеративного торможения даёт увеличение эффективности на 5 - 20%. Среднестатистический велосипедист на среднестатистическом маршруте на одной зарядке аккумуляторов может проехать примерно на 10% большее расстояние.

Накат электровелосипеда с регенеративным торможением.

Система рекуперативного торможения на электрическом велосипеде создает дополнительное сопротивление, даже тогда, когда тормоза не используются, так как двигатель постоянно подключён к трансмиссии велосипеда. Двигатель постоянно вращается, даже во время спуска. Это дополнительное сопротивление немного снижает накат велосипеда, но настолько незначительно, что вы вряд ли его почувствуете во время езды и оно никак не скажется на общей эффективности. Положительный эффект от системы регенерации энергии превышает отрицательный эффект дополнительного сопротивления.

Влияние рекуперативного торможение на износ тормозов.

Применение рекуперативного торможения позволяет существенно снизить износ тормозов, а также их нагрев во время продолжительных спусков. Кроме того рекуперативное торможение работает плавно и не издаёт лишнего шума. И что немаловажно, вы тратите энергию на подзарядку аккумулятора, а не на нагревание окружающего пространства, как это происходит в случае с обычными тормозами.

На какие велосипеды можно установить систему рекуперативного торможения.

Систему рекуперативного торможения можно установить практически на любой велосипед. Её нельзя установить на велосипеды с планетарной передачей, чему препятствует наличие трещотки. На электровелосипеды с двигателями Mid также можно установить систему рекуперации, хотя сделать это будет сложнее.

Насколько сложно производителю оборудовать свои велосипеды системами рекуперативного торможения?

Ни один электрический велосипед Pedego не оборудован системой рекуперативного торможения… жаль!

Установить рекуперативное торможение на велосипеды без планетарной передачи достаточно просто. Удивительно, что лидеры рынка электрических велосипедов, создавшие популярные модели с прямым приводом, так и не смогли оборудовать их системами регенеративного торможения. Так, например, ни один электрический велосипед Pedego не имеет встроенной системы регенеративного торможения. Если бы это было слишком сложно или дорого, но нет — установка системы рекуперации обойдётся компании не более, чем в 10 долларов. Для этого требуется всего лишь немного доработать контроллер.

Электрические велосипеды с регенеративным торможением отличаются только схемой контроллера. Никакую дополнительную электропроводку устанавливать не требуется.

Модели электрических велосипедов с рекуперативным торможением.

Хотя большинство современных электрических велосипедов оснащается компактными редукторными электродвигателями, но системы регенеративного торможения встречаются нечасто. Приятным исключением являются электровелосипеды на базе комплекта BionX: Ohm, Smart, Grace, Trek, и т. д.

Хотя установить рекуперативное торможение на электровелосипед с редукторным мотором достаточно просто, но только несколько компаний смогли освоить выпуск таких велосипедов. Большинство высококачественных электрических велосипедов с прямым приводом имеют встроенную систему регенеративного торможения:

Электрические велосипеды Stromer St1 и Magura Hydraulic Brakes.

Электровелосипеды Smart Bike на базе комплекта BionX.

Электрические велосипеды Speciailized Turbo.

Электровелосипеды Stealth Bomber.

Электрические велосипеды Grace.

Как своими руками сделать электрический велосипед с рекуперативным торможением?

Сделать своими руками электровелосипед с регенеративным торможением совсем несложно. Просто вы должны выбрать электрический велосипед на базе мотор-колеса с прямым приводом, например, Crystallyte или 9c, и купить контроллером со встроенной системой регенеративного торможения. Самый простой способ собрать велосипед с системой рекуперативного торможения — купить комплект BionX, исходно оснащённый регенеративным торможением.

Электрические велосипеды с изменяемой силой регенеративного торможения.

Возможность изменять силу регенеративного торможения на электровелосипеде была бы очень удобна, но к сожалению она пока ещё недоступна. За исключением электровелосипедов BionX, имеющих четыре степени регулировки силы рекуперативного торможения. На всех остальных электрических велосипедах регенерация устроена очень примитивно — она только попеременно включается и выключается.

На электрическом велосипеде на базе комплекта BionX вы можете контролировать уровень регенерации, который отражается на пульте управления, что особенно полезно на длительных спусках. На фотографии выше можно увидеть четыре деления, отражающие степень помощи при педалировании. Если на пульте управления нажать кнопку минус, то вы сможете выбирать между четырьмя степенями регенерации. Довольно неплохо. BionX совершенна во всём. Если бы она ещё встроила эту регулировку в тормозную ручку, то было бы просто замечательно. BionX заслужила свою высокую репутацию в том числе и за счёт изобретения самой лучшей системы регенеративного торможения.

Для создания здорового микроклимата в жилом помещении необходима вентиляция воздуха. Летом достаточно открыть форточку или окно. В холодное время года в таком случае придётся согревать поступающий воздух. С целью существенного снижения расходов на обогрев используются теплообменники рекуперативного типа. В статье разберем, как сделать рекуператор своими руками.

Инструменты и материалы

Примерный набор материалов и инструментов:

металл 0.5-1 мм, текстолит или сотовый поликарбонат 1-5 мм в количестве 5, 10 или 15 м2 в зависимости от типа рекуператора;
рейки 2-3 мм из дерева, технической пробки или оргстекла, шириной 1-1.5 см;
нержавейка, ДСП, фанера для корпуса согласно чертежам;
минеральная вата, пенополистирол для теплоизоляции;
4 фланца из пластика для воздуховодов на основе канализационных труб;
лобзики по дереву и металлу, желательно электрические;
силиконовый герметик;
алюминиевая трубка 2-5 мм, длина по проекту;
универсальный клей;
саморезы;
стальной уголок 20х20 мм, длина по проекту;
шуруповёрт, ножовка по металлу;
фильтры бумажные, автомобильные – сколько потребуется;
строительный нож;
молоток;
дрель, набор свёрл;
вентиляторы компьютерные или канальные в зависимости от проекта.

Фильтры заменяются или очищаются раз в 1-4 месяца.

Рекомендуются НЕРА-фильтры. Они недорогие, при этом выполняют очень глубокую очистку воздуха, в продаже есть разные типоразмеры.

Материалы заготавливаем соответственно выбранному типу рекуператора.

Схема изготовления

Прежде чем приступать к изготовлению, разберем, какие бывают рекуператоры. Приведём основные виды:

Общие параметры теплообменников:

пластинчатый – КПД 60-80%, компактный, легко подключается;
противоточный – КПД 80-90%, установка сложнее, более дорогой;
роторный – КПД 75-85%, подходит для одной квартиры.

Квадратный теплообменник является основным узлом пластинчатого рекуператора. Пластины изготавливают из листов меди, алюминия толщиной 0.5-1.5 мм в зависимости от размера устройства. Можно использовать алюминиевую фольгу, но это дорого и сложно в изготовлении. Дешевле и проще в обработке полипропилен и поликарбонат 3-10 мм, практически без уменьшения КПД.

Из алюминиевых трубок можно собрать трубчатый рекуператор. От квадратного он отличается только формой в виде трубы, имея практически такой же КПД. Крепится в стене, то есть не требует системы крепления к потолку.

Из нескольких автомобильных радиаторов (обычно 2-4) можно сконструировать рекуператор с отдельным теплоносителем. Переносчиком тепла служит вода либо антифриз.

Для частного или загородного дома проще всего сделать своими руками пластинчатый рекуператор воздуха. Принцип его работы: тёплый и холодный воздушные потоки проходят сквозь друг друга не перемешиваясь.

Имеет следующие преимущества:

простые конструкция и технология монтажа;
КПД до 80%;
большой срок службы;
минимальное потребление электроэнергии;
легко модернизировать.

Недостаток – образование водного конденсата при отрицательной температуре. Требуется как-то его удалять.

Разберем пошагово инструкцию его изготовления:

Из листов металла нарезаются квадраты 40х40, 50х50 мм в зависимости от желаемой мощности прибора в количестве 70-80 штук и площадью не меньше 3-5 м2. Плюс к этому 2 квадрата тех же размеров из фанеры или ДВП для обкладки батареи теплообменника.

Заметим, что элементы теплообменника можно изготовить из сотового поликарбоната, который дешевле и проще в обработке, а также не требует применения прокладок. Рекомендуется брать листы типа 2Н толщиной 4 мм.

Пожалуй, самая выгодная схема: для подачи тёплого воздуха использовать пластину из поликарбоната, а для холодного – металлическую.

Из рейки или пробки готовятся прокладки для металлических пластин по их размерам и шириной 1-1.5 см с расчётом 3 штуки на 1 пластину.

Рассчитывается приблизительная толщина стопки пластин по формуле Т= (тл х тп) х К + Д, где:

тл – толщина листа;
тп – толщина прокладки;
К – количество листов;
Д – допуск (сантиметров 10).

Отрезаем 4 уголка вычисленной длины, закрепляем на рабочем столе вертикально по углам 1 квадрата из дерева. Это шаблон для сборки.

Наклеиваем на каждый металлический лист по три прокладки: 1 по центру и 2 на краях параллельно друг к другу.

Формируем теплообменник, укладывая на шаблон лист за листом, поворачивая каждый раз на 90 градусов. Так организован обмен теплом в этом устройстве.

Завершается сборка вторым квадратом из дерева. Сверху кладём груз 5-6 кг до полного высыхания клея. Затем, отметив высоту пачки на уголках, снимаем их, удаляем лишнее. Саморезами прикрепляем к обкладкам.

Изготавливаем корпус по размерам теплообменника: основной масштаб – это его диагональ и толщина.

В случае одного пакета его края могут крепиться на всех сторонах корпуса. Отверстия в боковых стенках выпиливаются под имеющиеся материалы, такие как вентиляторы, входные/выходные вентиляционные короба или трубы.

Следует иметь в виду, что теплообменник монтируется вертикально так, чтобы вентиляторы оказались вверху. Это важно для оттока конденсата: сливная трубка должна находиться в правой нижней части рекуператора.

Из помещения воздух подаётся ко входу левого на рисунке вентилятора, а правый – всасывает наружный воздух.

В случае если устройство будет работать в неотапливаемом помещении, теплоизолируйте его как можно лучше, например, минеральной ватой, пенополистиролом.

Один из вариантов установки пластинчатого рекуператора приведён на рисунке.

Далее рассмотрим, как в домашних условиях собрать самому коаксиальный рекуператор.

Преимущества рассматриваемого устройства:

не имеет движущихся частей;
хороший КПД до 65%;
простота конструкции;
автономность – монтируется непосредственно в стене.

Все необходимые материалы легко приобрести в хозяйственном магазине:

пластиковая канализационная труба диаметром 16 см;
тройники – 2 шт.;
соответствующие трубе и вентиляторам переходники – 3 шт.;
алюминиевая гофротруба диаметром 10 см, длина равна 1.5 длины пластиковой трубы.

Диаметры переходников, гофротрубы и вентиляторов одинаковые:

Определяемся с длиной трубы, помня, что КПД напрямую зависит от этого параметра. Отрезаем по размеру обе трубы.
Размещаем кольцами предельно растянутый гофр внутри пластиковой трубы.
После растяжки присоединяем тройники с обеих сторон так, чтобы гофр проходил в ответвления. Приклеиваем алюминий по диаметру к краям пластика, отрезаем лишнее.
Присоединяем третий переходник со стороны домашней части трубы. С этой же стороны устанавливаем вентиляторы: через гофротрубу воздух выдувается наружу.
Не забываем оба уличных отверстия закрыть фильтрами, чтобы мухи не летели.

В том случае, если рекуператор проходит через стену, вставьте его в канал стены и продолжайте с пункта 2.

Для небольших помещений и при наличии материала можете собрать трубчатый теплообменник рекуперации воздуха. Комплектующие те же, что в предыдущем случае, только надо заменить гофротрубу на трубки алюминиевые или стальные с диаметром 3-5 мм, взять немного листового металла либо пластика 2-4 мм и два Т-образных тройника:

Из листа по диаметру трубы вырезаем 2 круга. Разметив произвольно, одновременно в обоих высверливаем отверстия под внешний размер трубок. Чем больше отверстий, тем выше КПД.
Все трубки собираем между кругами, проклеивая соединения. Теплообменник готов.
Помещаем его в трубу. На обе стороны надеваем тройники так, чтобы край каждого был выше пластин теплообменника.
С одной стороны конструкции в оба раструба тройника укрепляем вентиляторы.

Противоположные следует закрыть фильтрами.

Представим интересное практическое решение: парный трубчатый реверсивный рекуператор для монтирования в стене.

Необходимые материалы:

2 отрезка канализационной трубы;
заглушки на них – 2 шт.;
схема управления.

Общий вид приведён ниже:

Вместо трубок предлагается использовать пластмассовые шарики с диаметрами около 5 мм. Поверхность обмена теплом значительно увеличится, и КПД – тоже.

Роторный рекуператор воздуха имеет высокий КПД, однако считается малопригодным для установки в жилых помещениях из-за высоких массогабаритных показателей, сложности изготовления и сборки.

Принцип функционирования понятен из рисунка: в кожухе вращается барабан, состоящий из множества канальцев, образованных гофрированным тонким металлом или трубочками, в которых и происходит теплообмен. В состав кожуха входят 2 воздушных короба подачи и отвода.

Ясно, что в такой конструкции происходит смешение потоков и частичный возврат воздуха, что уменьшает эффективность прибора. Но есть и плюс – влажность практически не изменяется.

Представляем вариант самодельного роторного рекуператора воздуха.

Материалы:

длинный стальной стержень с резьбой, диаметр 5-10 мм;
щипцы для блоков-заклёпок;
G-образная струбцина.

Приведем примерный порядок действий:

Создаём чертежи всего устройства под роторный теплообменник, включая короба отвода-подвода воздуха, крепления моторчика, привод и прочее.
Нарезаем трубки в количестве, рассчитанном по формулам: К = (площадь барабана) / (площадь трубки) или [ (радиус барабана) / (радиус трубки) ]х2. Длина трубок меньше длины барабана сантиметра на 2, чтобы была возможность загнуть бортики сверху и снизу.
Если удалось найти трубу из металла или пластика с нужными диаметром и длиной, переходите к следующему пункту. В противном случае из металла сделайте барабан по своему эскизу. Для этого вначале выпилите круг из фанеры, затем металлический прямоугольник. Сверните его вокруг фанерного кружка с нахлёстом, скрепите струбциной. Действуя дрелью и щипцами, склепайте края цилиндра.
Из листа металла делаем 2 круга, и лобзиком вырезаем из них 2 торцевые крестовины.
Концы резьбового стержня зашлифовываем – это ось теплообменника.
Собираем каркас ротора: цилиндр + крестовины + ось. Туго набиваем цилиндр трубками.

Ротор рекуператора готов. Смонтируйте его в корпусе воздухообменника.

Как увеличить КПД

Для увеличения эффективности самодельного устройства следует тщательно исполнять технологические операции на всех этапах его проектирования и изготовления.

КПД – это доля энергии, которую при теплообмене тёплый воздух отдаёт холодному. Поэтому следует максимизировать эту долю:

увеличить габариты прибора – увеличивается время взаимодействия воздушных потоков, а значит, и теплообмен;
увеличить площадь рабочей поверхности рекуператора, используя гофрированные пластины с меньшими размерами профиля;
проектировать большие объёмы выходящего воздуха, чем входящего;
использовать теплоизолирующие материалы хорошего качества;
тщательно герметизировать все объёмы с движущимся воздухом, не допуская смешения потоков;
вовремя очищать или заменять входные/выходные фильтры, уменьшая этим сопротивление потоку воздуха и улучшая его качество;
если у вас неуправляемый рекуператор, в зимнюю пору время от времени отключайте входной вентилятор, чтобы удалить наледь внутри устройства.

После установки рекуператора в рабочее положение разумно и интересно узнать его КПД. Эта величина даёт отношение доли переданной холодному воздуху энергии от тёплого домашнего.

Порядок такой:

включаем прибор, выжидаем некоторое время;
градусником измеряем три температуры – с улицы на входе устройства, в доме, на выходе;
вычисляем по формуле КПД = (Тр-Ту) / (Тд-Ту) *100, где
- Тр – температура на выходе рекуператора;
- Ту – температура на входе, с улицы;
- Тд – температура дома.

Пример: Тр=17, Ту=5, Тд=24 градусов. КПД = (17-5) / (24-5) *100=63%.

Рекомендации

Выбирайте тип рекуператора, исходя прежде всего из имеющихся возможностей – материальных и финансовых.

Нарисуйте схемы устройства и чертежи отдельных элементов и узлов. Сделайте, если есть возможность, хотя бы простейший расчёт основного параметра рекуператора – его площади.

В случае пластинчатого теплообменника из металла эта площадь в расчёте на одного человека 4-6 м2 в зависимости от объёма помещения, а мощность вентилятора – 60-100 м3/час.

В общем случае КПД зависит от размеров агрегата, поэтому используйте свои возможности в полной мере.

Наглядный обзор создания роторного рекуператора своими руками для дома представлен в следующем видео.

Создано 26.02.2010 13:28 Автор: Александр Компанеец

В связи с последними событиями, а именно, отзывом компанией Toyota двух моделей автомобилей с гибридной установкой Toyota Prius 2010 и Lexus HS250h, у которых обнаружились проблемы с тормозной системой (да, да с Тойотой творится что-то неладное, сначала отозвали 8 миллионов автомобилей с двигателем внутреннего сгорания из-за проблем с педалью газа), многие люди задаются правомерным вопросом: а как в действительности работает регенеративный тормоз, который используется в автомобилях с гибридной и электрической силовыми установками.

Практически все современные гибридные автомобили, такие как Toyota, Ford и General Motors все используют электрогидравлические тормозные системы, в которых передача тормозного усилия от педали тормоза полностью доверено электронике.

Каждый производитель автомобилей с гибридной установкой использует свои собственные разработки при создании рекуперативных тормозов, но общие принципы функционирования этих тормозных систем остаются неизменными.

Давайте немного отклонимся от темы и вспомним, куда девается кинетическая энергия самого обычного автомобиля в момент торможения. В момент торможения металлические тормозные колодки прижимаются к металлическому тормозному диску, закрепленному на оси автомобиля, тем самым создавая трение, которое и приводит к замедлению вращения колеса. При этом вся кинетическая энергия полуторатонной махины несущейся со скоростью, допустим, в 100 км/ч превращается в тепло, то есть бесследно и безвозвратно теряется в атмосфере нашей замечательной планеты.

Наличие мощной электрической подсистемы в гибридных, и тем более электромобилях, делает оправданными усилия по возврату и повторному использованию энергии торможения экипажа. В этих автомобилях используются очень емкие аккумуляторы, которые позволяют сохранять избыточную энергию и повторно ее использовать. Экономия получается настолько заметной, что на сегодняшний день трудно найти электромобиль, не использующий рекуперативные тормоза, рекуперативный тормоз используется в широком ряде современных электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevrolet Volt, Mitsubishi i-MiEV и других.

Итак, повторим, в привычном автомобиле используется гидравлическое давление для того, чтобы создать силу трения в барабанном или дисковом тормозе и превратить энергию кинетическую в энергию тепловую. Это давление создается водителем в момент нажатия педали тормоза, которое обычно усиливается вспомогательной системой для уменьшения прилагаемого усилия. Таким образом, ускорение замедления автомобиля пропорционально усилию давления ноги на педаль тормоза. Все просто и надежно.

Когда же мы пытаемся сберечь энергию торможения для дальнейшего использования, то нам приходится иметь дело с двумя системами торможения. Первой вступает в действие рекуперативная система, то есть вместо классического тормозного механизма в виде диска или барабана выступает компактный электрогенератор, который на первом этапе торможения, когда скорость вращения колес еще достаточно высока, преобразует энергию вращения колеса в электроэнергию и тем самым создает тормозное усилие на колесе. Вторым эшелоном идет более эффективное, с точки зрения замедления автомобиля до нулевой скорости, торможение с использованием трения.

Согласованием действий двух тормозных подсистем гидравлической и электрической занимается специальный электронный блок, который выступает посредником между водителем, давящим на педаль тормоза, и электрогидравлической системой торможения. Таким образом, теряется прямая связь водителя с тормозами, и задача этой электронной системы сделать так чтобы водитель этого не заметил. Системе управления тормозами приходится постоянно определять, каково должно быть ускорение замедления в ответ на нажатие педали пользователем, и какую систему в какой пропорции задействовать, чтобы и энергию максимально сберечь и сделать замедление пропорциональным усилию, прилагаемому к педали тормоза. Например, водитель утапливает педаль тормоза на половину, у системы есть выбор: приложить тормозное усилие к тормозным дисками или создать тормозящий момент в генераторе и получить электроэнергию для подзарядки аккумуляторов.

В то же время, система постоянно отслеживает скорость вращения колес, используя те же сенсоры, которые отвечают за работу антиблокировочной системы (ABS) . Эта информация используется для определения типа поверхности, по которой движется автомобиль, будь-то снег, лед, гравий или сухой асфальт. Изменение скорости вращения колеса может снабдить бортовой компьютер массой полезной информации о природе дорожного покрытия, но, как это обычно бывает, этой информации не всегда достаточно. Именно о торможении на сложных участках и идет речь, так как намерения водителя могут не соответствовать реальной дорожной обстановке.

Поскольку мы говорим о гибридных и электрических автомобилях, где экономия энергии является главным приоритетом, система торможения всегда старается вернуть максимум энергии в аккумуляторные батареи, если это возможно. Рекуперативное торможение имеет еще два существенных ограничения. Первое – особенность современных аккумуляторов такова, что их подзарядка может происходить только при определенных значениях тока и напряжения, что несколько ограничивает диапазон использования регенерации энергии с помощью рекуперации. Второе - невозможно заряжать полностью заряженную батарею. Второе замечание не так существенно для электромобилей, так как рекуперация для них – это единственный способ подзарядки на ходу, в отличие от гибридов, которые подзаряжаются от собственного двигателя внутреннего сгорания.

Продолжим наши изыскания. Количество тормозного момента, создаваемого рекуперативным тормозом, довольно просто вычисляется и пропорционален напряжению на выходе генератора. Управляющая тормозами система вычитает тормозящий момент, создаваемый регенерацией, из желаемого тормозящего момента, чтобы получить количество тормозящего момента для фрикционной тормозной системы. Здесь и возникает трудность.

В этих электрогидравлических системах давление на фрикционные тормоза лишь частично зависит от давления водителя на педаль, из-за этого система должна использовать достаточно сложную математическую модель для расчета отношения рекуперативного и фрикционного торможения.

При этом при всей простоте и надежности фрикционных тормозов их характеристики могут со временем изменяться, часто они могут изменяться за короткий промежуток времени. Вся проблема в том, что эффективность фрикционного тормоза зависит от силы трения между двумя движущимися поверхностями, в случае дисковых тормозов, это тормозной диск и тормозные колодки. Сила трения может сильно меняться, например, из-за температуры тормозного диска, а он, как известно очень сильно нагревается при торможении. Не верите? Спуститесь на автомобиле с Ай-Петри и пощупайте (я щупал) колесные диски, но ни в коем случае не трогайте дисковые тормоза – получите ожог! Второй фактор, влияющий на эффективность фрикционного тормоза – влажность. Тонкая пленка воды на тормозном диске значительно уменьшает силу трения, и Вы можете это почувствовать, проехав по глубокой луже. Недаром опытные водители советуют несколько раз нажать тормоз для просушки после проезда водных преград. Третье – тормозные диски и колодки со временем изнашиваются и меняют свои тормозящие свойства.

В случае классического автомобиля, водитель имеет прямую пропорциональную связь между педалью тормоза и колодками, что позволяет ему мгновенно реагировать на изменившуюся ситуацию, дополнительным усилием на педаль тормоза. В то время как в управляющей системе рекуперативных тормозов необходимо использовать сложные адоптирующиеся алгоритмы для оценки всех изменяющихся параметров тормозной системы, и так же как и система определения качества дорожной поверхности, эта система далека от совершенства.

Инженеры проводят тысячи часов, тестируя и усовершенствуя алгоритмы работы систем управления торможением, чтобы сделать их быстрыми и надежными. Это еще одна причина того, что гибридные автомобили так медленно появляются на рынке.

Какая же проблема возникла в автомобиле Toyota Prius, самом известном гибридном автомобиле в мире? Нужно осознавать тот факт, что возможности регенерации энергии на малых скоростях весьма ограничены и, соответственно, тормозящий момент на малых скоростях падает даже, если водитель не меняет положение ноги на педали тормоза. Добавьте к этому ошибочную переоценку тормозного момента, создаваемого фрикционным тормозом, и вы получите ощутимую потерю замедления. Есть еще и третий момент, который влияет на увеличение ошибки системы. На ухабистой дороге, на малой скорости попадание колеса на кочку или ямку может привести к ошибке в определении скорости вращения колеса, что может повлечь команду системы управления на снижение тормозного усилия.

Эти факторы, кажется, не могут значительно повлиять на тормозящие способности автомобиля, но в реальном мире это может привести к увеличению тормозного пути автомобиля на каких-то 30-60 см. Мелочь? Возможно это так, но в плотном городском трафике это может привести к весьма неприятным последствиям. Так что соблюдайте безопасную дистанцию, господа!

Электродвигатели предназначены для приведения в движение различных механизмов, но после завершения движения механизм необходимо остановить. Для этого можно использовать тоже электрическую машину и метод рекуперации. О том, что такое рекуперация электроэнергии, рассказывается в этой статье.

Рекуперация электроэнергии в электровелосипеде

Что такое рекуперация

Этот процесс широко используется в электротранспорте, особенно работающем на аккумуляторах. При движении под уклон и во время торможения системы рекуперации возвращает кинетическую энергию движения обратно в аккумулятор, подзаряжая их. Это позволяет проехать без подзарядки большее расстояние.

Рекуперация в электромобилях

Рекуперация электродвигателя — звучит сложно, но на самом деле это не так. Эта система, также известная как рекуперативное торможение, устанавливается на каждый электрический и гибридный автомобиль и предназначена для сбора избыточной энергии, производимой при торможении или накате.

Затем эту энергию можно использовать для зарядки аккумуляторов автомобиля и увеличения запаса хода. Когда электродвигатель двигает машину, он вкладывает энергию во вращение колес.

Но когда вы нажимаете педаль тормоза в автомобиле с рекуперативным торможением, процесс меняется на противоположный, и колеса автомобиля вращают электродвигатель. Фактически, электродвигатель становится генератором, который приводится в действие собственным движением автомобиля.

Для того, чтобы электродвигатель собирал энергию, он должен вращаться в обратном направлении. Вот почему, когда вы открываете дроссельную заслонку в автомобиле с рекуперативным торможением, чувствуете, что он тормозит автоматически, не нажимая на педаль тормоза.

Вы можете выбрать резкое торможение для максимального увеличения энергии или полностью отключить его, если вам не нравится ощущение торможения электромобиля.

Все электромобили имеют стандартные механические фрикционные тормоза, но если вы хотите использовать максимально запас хода электромобиля и уменьшить износ тормозных колодок, тогда стоит использовать систему рекуперации чаще.

Многие электромобили не применяют силу этих стандартных фрикционных тормозов, пока не нажата педаль тормоза достаточно сильно. Вместо этого они используют систему рекуперации для более легкого торможения, чтобы максимизировать диапазон хода.

Единственная трудность, что при переключении с рекуперации на механическое торможение педаль может заметно изменить реакцию. Стоит привыкнуть к ощущению тормозов и их реакции, когда впервые едите на электромобиле.

Рекуперативное торможение

Частота вращения: формула

Один из видов торможения – это рекуперативное. При этом скорость вращения электродвигателя больше, чем заданная параметрами сети: напряжением на якоре и обмотке возбуждения в двигателях постоянного тока или частотой питающего напряжения в синхронных или асинхронных двигателях. При этом электродвигатель переходит в режим генератора, а выработанную энергию отдаёт обратно в сеть.

Основным достоинством рекуператора является экономия электроэнергии. Это особенно заметно при движении по городу с постоянно изменяющейся скоростью, пригородном электротранспорте и метрополитене с большим количеством остановок и торможением перед ними.

Кроме достоинств, рекуперация имеет недостатки:

невозможность полной остановки транспорта;
медленная остановка при малых скоростях;
отсутствие тормозного усилия на стоянке.

Для компенсации этих недостатков на транспортных средствах устанавливается дополнительная система механических тормозов.

Как работает система рекуперации

Для обеспечения работы эта система должна обеспечивать питание электродвигателя от сети и возврат энергии во время торможения. Проще всего это осуществляется в городском электротранспорте, а также в старых электромобилях, оснащенных свинцовыми аккумуляторами, электродвигателями постоянного тока и контакторами, – при переходе на пониженную передачу при высокой скорости режим возврата энергии включается автоматически.

В современном транспорте вместо контакторов используется ШИМ-контроллер. Это устройство позволяет возвращать энергию как в сеть постоянного, так и переменного тока. При работе оно работает как выпрямитель, а во время торможения определяет частоту и фазу сети, создавая обратный ток.

Интересно. При динамическом торможении электродвигателей постоянного тока они так же переходят в режим генератора, но вырабатывающаяся энергия не возвращается в сеть, а рассеивается на добавочном сопротивлении.

SMART системы рекуперации

Применение рекуперации в транспорте

Принцип работы электродвигателя

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

В электромобилях и электровелосипедах

Схема рекуперации в автомобиле

На железной дороге

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

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

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

Режим рекуперации поезда

В метро

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

В городском общественном транспорте

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

В Формуле-1

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

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

Система рекуперации энергии торможения (KERS)

С этого момента появилась задача — приспособить систему рекуперации KERS для работы на различных модификациях гибридных автомобилей и максимально снизить стоимость конструкции для массового использования.

Основное преимущество системы рекуперации KERS — это использование кинетической энергии, появляющейся в процессе торможения. В зависимости от типа транспортного средства возможны различные варианты применения этой энергии.

В настоящее время разработаны различные вариации системы рекуперации KERS. Основными являются:

Принцип работы механической системы KERS доступно показан на видео-модели:

На видео-материалах отчетливо представлено в каких режимах работает система рекуперации. Варианты накопления энергии механическим способом могут быть различными, но принцип один – накопить при торможении и отдать при старте.

Принцип работы электрической системы рекуперации KERS показан на ресурсе и видео-модели Toyota Hybrid System :

В спортивных болидах система KERS устроена следующим образом:

В качестве промежуточного результата адаптации системы рекуперации KERS на обычные автомобили, можно привести технологию i-ELOOP от компании Mazda:

Торможение асинхронных двигателей

Снижение скорости асинхронных электродвигателей осуществляется тремя способами:

рекуперация;
противовключение;
динамическое.

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Рекуперация асинхронных двигателей возможна в трёх случаях:

Изменение частоты питающего напряжения. Возможно при питании электродвигателя от преобразователя частоты. Для перехода в режим торможения частота уменьшается так, чтобы скорость вращения ротора оказалась больше синхронной;
Переключением обмоток и изменением числа полюсов. Возможно только в двух,- и многоскоростных электродвигателях, в которых несколько скоростей предусмотрены конструктивно;
Силовой спуск. Применяется в грузоподъёмных механизмах. В этих аппаратах устанавливаются электродвигатели с фазным ротором, регулировка скорости в которых осуществляется изменением величины сопротивления, подключаемого к обмоткам ротора.

В любом случае при торможении ротор начинает обгонять поле статора, скольжение становится больше 1, и электромашина начинает работать как генератор, отдавая энергию в сеть.

Схема электродвигателя с фазным ротором

Противовключение

Режим противовключения осуществляется переключением двух фаз, питающих электромашину, между собой и включением вращения аппарата в обратную сторону.

Возможен вариант включения при противовключении добавочных сопротивлений в цепь статора или обмоток фазного ротора. Это уменьшает ток и тормозной момент.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Этот метод осуществляется подачей в обмотку статора постоянного напряжения. Для обеспечения безаварийной работы электромашины ток торможения не должен превышать 4-5 токов холостого хода. Это достигается включением в цепь статора дополнительного сопротивления или использованием понижающего трансформатора.

Постоянный ток, протекающий в обмотках статора, создаёт магнитное поле. При пересечении его в обмотках ротора наводится ЭДС, и протекает ток. Выделившаяся мощность создаёт тормозной момент, сила которого тем больше, чем выше скорость вращения электромашины.

Фактически асинхронный электродвигатель в режиме динамического торможения превращается в генератор постоянного тока, выходные клеммы которого закорочены (в машине с короткозамкнутым ротором) или включенные на добавочное сопротивление (электромашина с фазным ротором).

Схема динамического торможения асинхронного электродвигателя

Рекуперация в электрических машинах – это вид торможения, позволяющий сэкономить электроэнергию и избежать износа механических тормозов.

Принцип работы

При начале торможения электрический мотор меняет режим работы: вместо питания от аккумулятора он начинает работать как генератор, вырабатывая энергию. В этот момент в обмотке ротора и статора возникают токи противоположной направленности.
Снижение скорости транспортного средства происходит за счет того, что на валу электромотора появляется тормозной момент.
Имевшаяся до начала торможения кинетическая энергия трансформируется в электрическую и тепловую.
Появляющаяся дополнительная электроэнергия поступает в аккумулятор, тем самым повышая его заряд.

Эффективность рекуперации

Рекуперация электродвигателя с точки зрения физического процесса является достаточно эффективной, поскольку его КПД составляет порядка 70%. Т.е. около 70% затрачиваемой на торможение энергии преобразуется в электроэнергию. Однако эффективность рекуперативного торможения с точки зрения увеличения дальности пробега машины не такая большая, поскольку увеличение пробега составляет всего в пределах 10-20% в зависимости от условий: тип авто и асинхронного двигателя, размер транспортного средства, скорость движения, характеристики батареи, дорожные условия и т.п.

Условия, при которых рекуперативное торможение двигателя постоянного тока наиболее эффективно:

В данном случае верно правило: чем чаще тормозит электрокар, тем его батарея больше заряжается.

Когда не эффективно

Ситуации, когда рекуперативное торможение электродвигателя не эффективно:

По своему определению рекуперация – возвращение части энергии или материалов для их повторного использования во время одного и того же процесса.

Если говорить об автомобилях, то существует два основных вида рекуперации – кинетическая рекуперация за счет энергии торможения (KERS) и система рекуперации тепла.

Рекуперативное торможение

Это вид торможения, в котором та энергия, которая выделяется тяговыми электродвигателями (они работают в режиме генератора), возвращается в сеть. То есть становится генератором той кинетической энергии, которая выделяется во время торможения. Она возвращается в мотор. На гибридных автомобилях рекуперация торможения используется для подзарядки аккумуляторов.

На легковых автомобилях

Благодаря современным энергосберегающим веяниям появляется все больше гибридных автомобилей. Для увеличения их пробега используют систему рекуперативного торможения (KERS). Примеры - Chevrolet Volt и Toyota Prius.

На некоторых автомобилях батарея для зарядки при торможении установлена отдельно для питания периферийных систем, таких как мультимедийные и климатические. В частности, это использовалось в машинах Ferrari. При этом для движения по-прежнему использовался бензиновый двигатель. В итоге это позволяет экономить топливо.

Тем не менее, система рекуперации при торможении подвергается критике. Тормозной путь обычного автомобиля, даже в городском режиме с частыми разгонами-торможениями, очень мал. Соответственно, батареи не успевают нормально зарядиться. Вот и выходит, что экономия достигает каких-то доль процента, и использовать ее нецелесообразно ввиду серьезного усложнения конструкции. К тому же, система не решает проблему торможения (все равно нужно использовать обычный тормоз).

Поэтому более эффективно использование рекуперации энергии торможения в метро и пригородных поездах (электричках).

Использование в автоспорте

В 2009-ом году на некоторых автомобилях появилась система KERS, которая призвана была развивать это направление в автомобилестроении.

Но, как оказалось, на большинстве трасс машины, обладающие KERSом, не имели преимуществ, а поэтому в целях сокращения расходов в 2010 ее применять не стали. В 2011-ом, в связи с изменением в регламенте, система вернулась, но теперь уже для всех. По состоянию на 2013 год KERS есть абсолютно у всех команд. Его мощность ограничена 60 киловатт, при этом использовать его можно не более чем 6,67 с на круге. Правда, довольно часто эта система отказывает. Преимущество разное в зависимости от типа трассы, от 0,2 до 0,6 секунды на круге. Учитывая плотность результатов, это показатель довольно немаленький.

В 2014-ом году в Формуле-1 будут новые турбомоторы, которые будут в обязательном порядке иметь рекуперативную систему. Мощность их будет 160 киловатт, а использовать их можно будет 33 секунды на круге.

Кроме того, систему рекуперации энергии торможения используют и в гонках на выносливость.

Рекуператор тепловой энергии

Теплообменник, использующий тепло газов. Бывают прямоточные, противоточные и пр.; по форме – ребристые, пластинчатые, трубчатые и пр.

В принципе, используются они в основном на производствах. Говорить об их автомобильном назначении можно лишь в свете турбомоторов, которые будут использоваться в Формуле-1, начиная с 2014-го года. В них система рекуперации будет именно тепловой.

Системы рекуперации в автомобилестроении помогают экономить топливо. Без сомнений, это шаг в будущее, переход на альтернативные источники.

Читайте также: