Регенеративное торможение

Механизм рекуперативного тормоза на крыше Škoda Astra трамвая

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

Рекуперативное 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, пополнить запасы решения для хранения энергии, такого 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 реостатных 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, включаемые в тех случаях, когда одного рекуперативного торможения недостаточно для безопасной остановки автомобиля, изнашиваются не так быстро, как в автомобиле, использующем исключительно традиционные тормоза.

Общий 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, аналогично аккумуляторным и гибридным электромобилям.

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 трения торможение на основе .

• 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» (OPD).
• Современные рекуперативные тормоза не обездвиживают неподвижное транспортное средство; физическая блокировка необходима, 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 реальными скоростями 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.

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 .

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.

В 2020-х годах большинство автомобилей, оснащенных рекуперативным торможением, смогут достаточно быстро полностью остановиться в режиме вождения с одной педалью. Некоторые модели автомобилей не зажигают стоп-сигнал при рекуперативном торможении, что приводит к проблемам с безопасностью. Большинство правил не требуют включения стоп-сигнала при замедлении автомобиля за счет рекуперативного торможения. Режим вождения с одной педалью (OPD) также вызывает опасения по поводу внезапного непреднамеренного ускорения (SUA), поскольку водитель может спутать акселератор с тормозом в стрессовых ситуациях, когда последний редко используется во время вождения OPD.

Преобразование в электрическую энергию: двигатель как генератор

Tesla Model S P85+, использующая мощность рекуперативного торможения более 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. Кригера Электрический ландоле имел по приводному двигателю в каждом переднем колесе со вторым набором параллельных обмоток ( бифилярной катушкой ) для рекуперативного торможения. 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 в соответствии с патентами Джона С. Раворта на тягу 1903–1908 годов, что дало им экономические и эксплуатационные преимущества. как 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 машин или сохраняя контроль 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 электрической тормозной системы. В некоторых случаях двигатели трамвайных вагонов имели шунтовую обмотку, а не последовательную, а в системах на линии Crystal Palace использовались последовательно-параллельные контроллеры. После серьезной аварии в Ротенстолле в 1911 году на этот вид тяги было наложено эмбарго; система рекуперативного торможения была вновь введена в действие двадцать лет спустя.

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 . 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 порта Нарвик. в Норвегии по сей день. железнодорожные вагоны полны тысяч тонн железной руды На пути в Нарвик , и эти поезда вырабатывают большое количество электроэнергии за счет рекуперативного торможения с максимальной рекуперативной тормозной силой 750 кН . От Риксгрансена на государственной границе до порта Нарвик поезда использовать только пятую часть энергии, которую они регенерируют. Регенерированной энергии достаточно, чтобы привести в движение пустые поезда до национальной границы. Любая избыточная энергия от железной дороги перекачивается в энергосистему для снабжения домов и предприятий в регионе, а железная дорога является чистым генератором электроэнергии.

В электромобилях рекуперативное торможение использовалось 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. 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 AMC Amitron 1967 года. экспериментального электромобиля Разработано Галтон Индастриз. Контроллер мотора автоматически начал зарядку аккумулятора при нажатии педали тормоза. Многие современные гибридные и электромобили используют этот метод для увеличения запаса хода аккумуляторной батареи, особенно те, в которых используется трансмиссия 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 посылая 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.

заявлена ​​экономия в 17% и меньший износ компонентов фрикционного тормоза Для самолетов British Rail класса 390 . Метро Дели сократило количество углекислого газа ( CO
₂ ) выброшено в атмосферу около 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 метрополитен Дели сократит выбросы более чем на 100 000 тонн CO.
₂ в год после завершения фазы II за счет использования рекуперативного торможения.

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.

используется форма того, что можно назвать рекуперативным торможением В некоторых частях лондонского метрополитена , что достигается за счет небольших уклонов, ведущих вверх и вниз от станций. Поезд замедляется на подъеме, а затем спускается по склону, поэтому кинетическая энергия преобразуется в гравитационную потенциальную энергию . на станции Обычно это встречается на участках сети глубоких туннелей, а не на надземных участках или на перекрытых 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.

General Electric 1936 года Экспериментальные паротурбинные локомотивы 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.

Основным недостатком рекуперативного тормоза по сравнению с динамическим 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. 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 недавние 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

Основная статья: Система 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. 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 предсказуем при повороте. Правила FIA также ограничивают эксплуатацию системы. Идея передачи кинетической энергии транспортного средства с использованием накопителя энергии маховика была постулирована физиком Ричардом Фейнманом в 1950-х годах. и примером является такие системы, как Zytek , Flybrid, Тортрак и Xtrac, используемые в F1. Также существуют системы на основе дифференциала , такие как Кембриджская система рекуперации кинетической энергии пассажирских/коммерческих транспортных средств (CPC-KERS).

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. Доступно максимальное повышение 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.

Формула-1

Маховик KERS

Формула-1 заявила, что поддерживает ответственные решения мировых экологических проблем. а FIA разрешила использование KERS мощностью 60 кВт (82 л.с., 80 л.с.) в регламенте сезона Формулы-1 2009 года . 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 ).

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

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 построенного на KERS. 30 августа 2009 года Кими Райкконен выиграл Гран-при Бельгии на своем Ferrari, оборудованном KERS. Это был первый случай, когда KERS непосредственно 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».

Хотя KERS все еще был легален в Формуле-1 в сезоне 2010 года, все команды согласились не использовать его. Новые правила сезона Формулы-1 2011 года, согласно которым минимальный предел веса автомобиля и водителя повышен на 20 кг до 640 кг. Вместе с тем, что команды FOTA еще раз согласились использовать устройства KERS, это означало, что KERS вернулся в сезон 2011 года. Это по-прежнему необязательно, как и в сезоне 2009 года; в сезоне 2011 года три команды решили не использовать его. В сезоне 2012 года только Marussia и HRT выступали без KERS, а к 2013 году, после прекращения использования HRT, все 11 команд в стартовой решетке использовали KERS.

В сезоне 2014 года мощность МГУ-К (Замена КЭРС и части системы ЭРС, включающей также турбокомпрессора систему рекуперации отработанного тепла ) 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. Отказоустойчивые настройки системы электронного торможения , которая теперь дополняет KERS, стали рассматриваться как один из факторов, способствовавших фатальной аварии Жюля Бьянки на Гран-при Японии 2014 года .

Производители автозапчастей

Bosch Motorsport Service разрабатывает KERS для использования в автоспорте. Эти системы хранения электроэнергии для функций гибрида и двигателя включают в себя литий-ионную батарею масштабируемой емкости или маховик от четырех до восьми килограммов , электродвигатель (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 легкового транспорта.

Автопроизводители

Автопроизводители, включая Honda, тестируют системы KERS. 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. Peugeot также планирует использовать трансмиссию с рекуперативным торможением на сжатом воздухе под названием Hybrid Air.

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. 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.

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. 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 .

Мотоциклы

KTM Руководитель гонок 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.

Гонки

Автомобильный клуб de l'Ouest , организатор ежегодного мероприятия «24 часа Ле-Мана» и серии Ле-Ман , в 2007 году «изучал конкретные правила для LMP1 , который будет оснащен системой рекуперации кинетической энергии». Peugeot был первым производителем, представившим полностью функциональный автомобиль LMP1 в форме 908 HY на гонке Autosport 1000 км 2008 года в Сильверстоуне.

Гражданский транспорт

Велосипеды

На электрических велосипедах в принципе можно использовать рекуперативное торможение. Однако по состоянию на 2024 год он редко используется на велосипедах, главным образом потому, что для него требуется ступичный двигатель с прямым приводом (в то время как многие велосипеды используют двигатель среднего привода, 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 ее можно было использовать.

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).

Автомобили

Многие гибридные электрические и полностью электрические автомобили используют рекуперативное торможение в сочетании с фрикционным торможением. Системы рекуперативного торможения не способны полностью имитировать обычные функции торможения для водителей, но их развитие продолжается. Калибровки, используемые для определения того, когда энергия будет рекуперироваться и когда используется фрикционное торможение для замедления автомобиля, влияют на то, как водитель ощущает тормозное действие.

Трамваи/трамваи

Потребление энергии снижается за счет рекуперативного торможения на трамваях ( AE ) или трамваях ( CE ) в Ораньестаде, Аруба . Спроектирован и построен компанией TIG/m Modern Street Railways в Чатсуорте , США. В транспортных средствах используется гибридная/электрическая технология: во время движения они не получают энергию от внешних источников, таких как воздушные провода, а питаются от литиевых батарей, дополненных водородными топливными элементами .

Термодинамика

КЕРС маховик

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

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

где

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

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

где

• $m$ это масса автомобиля.
• $v$ — начальная скорость автомобиля непосредственно перед торможением.

Маховик собирает процент начальной кинетической энергии автомобиля, и этот процент можно представить как $\eta _{\text{fly}}$. 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, с течением времени 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:

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

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:

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

где

• $W_{\text{in}}$ это работа генератора.
• $W_{\text{out}}$ – 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:

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

где

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

Эффективность аккумулятора можно описать как:

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

где

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

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

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

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% электрической энергии из сети в мощность на колесах. , эффективность электромобиля с учетом потерь из-за электросети, отопления и кондиционирования составляет около 50%. По словам Жана-Марка Янковичи (однако для общего преобразования см. Воплощенная энергия#Воплощенная энергия в энергетическом поле ).

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

Позвольте нам представить $\eta _{\text{recup}}$ что представляет собой рекуперируемую долю энергии торможения. Давайте предположим $\eta _{\text{recup}}=0.6$.

Описание потока энергии при рекуперативном торможении

В этих обстоятельствах, $E$ — поток энергии, поступающий в электродвигатель, $E_{\text{braking}}$ поток энергии, теряемый при торможении и $E_{\text{recup}}$ потока рекуперированной энергии, равновесие достигается согласно уравнениям

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

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

Как будто старый поток энергии $E$ был заменен на новый $E\cdot (1-\eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}})$

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

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%.

См. также

• Система рекуперации кинетической энергии
• Тормоз (железнодорожный)
• Электромагнитный тормоз
• Регенеративный (проектный)
• Регенеративный амортизатор
• Гибридный синергетический привод
• Воздушная турбина Ram
• Динамическое торможение
• Электродвигатель
• Часы с автоподзаводом
• Тормозной ход
• Электромагнитная муфта
• Вихретоковый тормоз