Как работает рекуперативное торможение в электромобилях

Торможение - один из важных аспектов автомобиля. У механической тормозной системы, которую мы используем в наших транспортных средствах, есть большой недостаток, заключающийся в том, что кинетическая энергия транспортного средства расходуется на тепло. Это снижает общую эффективность автомобиля, влияя на экономию топлива. В городском цикле езды мы склонны запускать и останавливать автомобиль чаще, чем в цикле движения по шоссе. Поскольку мы часто нажимаем на тормоз в городском ездовом цикле, потери энергии становятся больше. Инженеры придумали систему рекуперативного торможения.для восстановления кинетической энергии, рассеиваемой в виде тепла при торможении традиционным методом торможения. Следуя законам физики, мы не можем восстановить всю потерянную кинетическую энергию, но все же значительное количество кинетической энергии может быть преобразовано и сохранено в батарее или суперконденсаторе. Рекуперированная энергия помогает улучшить экономию топлива в обычных транспортных средствах и помогает увеличить запас хода электромобилей. Следует отметить, что процесс рекуперативного торможения имеет потери при восстановлении кинетической энергии. Прежде чем идти дальше, вы также можете прочитать другую интересную статью об электромобилях:

• Знакомство инженера с электромобилями (EV)
• Типы двигателей, используемых в электромобилях

Концепция рекуперативного торможения может быть осуществлена в обычных транспортных средствах, использующих Fly колесо. Маховики - это диски с высокой инерцией, которые вращаются с очень высокой скоростью. Они действуют как устройство накопления механической энергии, забирая (сохраняя) кинетическую энергию транспортного средства во время торможения. Энергия, рекуперированная в процессе торможения, может использоваться для помощи автомобилю при трогании с места или движении в гору.

В электромобилях мы можем включить рекуперативное торможение гораздо более эффективным способом с помощью электроники. Это снизит потребность в тяжелых маховиках, которые увеличивают общий вес автомобиля. Электромобилям присуща проблема беспокойства пользователей о дальности полета. Хотя средняя скорость автомобиля в городском цикле езды составляет около 25-40 км / ч, частые ускорения и торможения быстро разряжают аккумулятор. Мы знаем, что двигатели могут работать как генератор при определенных условиях. Используя эту функцию, можно предотвратить потерю кинетической энергии транспортного средства. Когда мы применяем тормоз в электромобилях, контроллер двигателя (на основе выходного сигнала датчика педали тормоза) снижает производительность или останавливает двигатель. Во время этой операции контроллер мотора предназначен длявосстанавливает кинетическую энергию и хранит ее в батарее или конденсаторных батареях. Рекуперативное торможение помогает увеличить запас хода электромобиля на 8-25%. Помимо экономии энергии и увеличения дальности, это также помогает в эффективном контроле за торможением.

В механической тормозной системе обратный крутящий момент действует на колесо, когда мы нажимаем на педаль тормоза. Точно так же в режиме рекуперативного торможения скорость транспортного средства снижается за счет создания отрицательного крутящего момента (противоположного движению) в двигателе с помощью контроллера двигателя. Иногда люди сбиваются с толку, когда представляют себе концепцию, что двигатель действует как генератор, когда он вращается в обратном направлении в режиме рекуперативного торможения. В этой статье можно понять, как восстановить кинетическую энергию с помощью метода рекуперативного торможения в электромобилях.

Как двигатель действует как генератор

Во-первых, мы сосредоточимся на понимании того, как двигатель может действовать как генератор.. Все мы использовали двигатель постоянного тока с постоянным магнитом в робототехнике, например, в линейном повторителе. Когда колесо робота, подключенного к двигателю, вращается свободно (снаружи вручную), иногда ИС привода двигателя повреждается. Это происходит потому, что двигатель действует как генератор, и генерируемая обратная ЭДС (обратное напряжение большей величины) прикладывается к ИС драйвера, что приводит к его повреждению. Когда мы вращаем якорь в этих двигателях, он отсекает поток от постоянных магнитов. В результате этого ЭДС вынуждена противодействовать изменению потока. Таким образом, мы можем измерить напряжение на клеммах двигателя. Это потому, что обратная ЭДС является функцией скорости ротора (об / мин). Когда частота вращения больше, и если генерируемая противо-ЭДС больше напряжения питания, двигатель работает как генератор. Давайте теперь посмотримкак этот принцип работает в электромобилях, чтобы избежать потерь энергии из-за торможения.

Когда двигатель ускоряет транспортное средство, связанная с ним кинетическая энергия увеличивается как квадрат скорости. Во время движения накатом автомобиль останавливается, когда кинетическая энергия становится равной нулю. Когда мы применяем тормоза в электромобиле, контроллер мотора работает таким образом, чтобы остановить мотор или снизить его скорость. Это включает в себя изменение направления крутящего момента двигателя на направление вращения. Во время этого процесса ротор двигателя, соединенный с ведущей осью, генерирует в двигателе ЭДС (аналогично первичному двигателю / турбине, приводящему в движение ротор генератора). Когда генерируемая ЭДС больше, чем напряжение конденсаторной батареи, энергия перетекает от двигателя к батарее. Таким образом, рекуперированная энергия сохраняется в батарее или конденсаторной батарее.

Как работает регенеративное торможение в электромобиле

Предположим, у автомобиля есть трехфазный асинхронный двигатель переменного тока в качестве двигателя для движения. Из характеристик двигателя мы знаем, что, когда трехфазный асинхронный двигатель работает со скоростью выше своей синхронной, скольжение становится отрицательным, и двигатель действует как генератор (генератор переменного тока). На практике скорость асинхронного двигателя всегда меньше синхронной скорости. Синхронная скорость- скорость вращающегося магнитного поля статора, создаваемого взаимодействием трехфазного источника питания. Во время пуска двигателя наведенная в роторе ЭДС максимальна. Когда двигатель начинает вращаться, индуцированная ЭДС уменьшается в зависимости от скольжения. Когда скорость ротора достигает синхронной скорости, индуцированная ЭДС равна нулю. В этот момент, если мы попытаемся повернуть ротор выше этой скорости, будет индуцирована ЭДС. В этом случае двигатель подает активную мощность обратно в сеть или источник питания. Мы применяем тормоза, чтобы снизить скорость автомобиля. В этом случае нельзя ожидать, что скорость ротора превысит синхронную скорость. Здесь роль контроллера мотора вступает в игру. Для понимания мы можем визуализировать, как в примере, приведенном ниже.

Предположим, что двигатель вращается со скоростью 5900 об / мин, а частота питания составляет 200 Гц, когда мы применяем тормоз, мы должны снизить частоту вращения или снизить ее до нуля. Контроллер действует в соответствии с сигналами датчика педали тормоза и выполняет эту операцию. Во время этого процесса контроллер будет устанавливать частоту питания ниже 200 Гц, например 80 Гц. Таким образом, синхронная скорость двигателя становится 2400 об / мин. С точки зрения контроллера мотора, скорость мотора больше, чем его синхронная скорость. Поскольку мы уменьшаем скорость во время торможения, двигатель теперь действует как генератор, пока частота вращения не упадет до 2400. В течение этого периода мы можем извлекать мощность из двигателя и сохранять ее в батарее или конденсаторной батарее.Следует отметить, что аккумулятор продолжает подавать питание на трехфазные асинхронные двигатели в процессе рекуперативного торможения. Это потому, что асинхронные двигатели не имеют источника магнитного потока, когда питание отключено. Поэтому двигатель, когда он действует как генератор, потребляет реактивную мощность от источника, чтобы установить потокосцепление, и возвращает ему активную мощность. Для разных двигателей принцип восстановления кинетической энергии при рекуперативном торможении различается. Двигатели с постоянными магнитами могут работать как генератор без какого-либо источника питания, потому что в роторе есть магниты, которые создают магнитный поток. Точно так же некоторые двигатели имеют остаточный магнетизм, который устраняет внешнее возбуждение, необходимое для создания магнитного потока.Это потому, что асинхронные двигатели не имеют источника магнитного потока, когда питание отключено. Поэтому двигатель, когда он действует как генератор, потребляет реактивную мощность от источника, чтобы установить потокосцепление, и возвращает ему активную мощность. Для разных двигателей принцип восстановления кинетической энергии при рекуперативном торможении различается. Двигатели с постоянными магнитами могут работать как генератор без какого-либо источника питания, потому что в роторе есть магниты, которые создают магнитный поток. Точно так же некоторые двигатели имеют остаточный магнетизм, который устраняет внешнее возбуждение, необходимое для создания магнитного потока.Это потому, что асинхронные двигатели не имеют источника магнитного потока, когда питание отключено. Поэтому двигатель, когда он действует как генератор, потребляет реактивную мощность от источника, чтобы установить потокосцепление, и возвращает ему активную мощность. Для разных двигателей принцип восстановления кинетической энергии при рекуперативном торможении различается. Двигатели с постоянными магнитами могут работать как генератор без какого-либо источника питания, потому что в роторе есть магниты, которые создают магнитный поток. Точно так же некоторые двигатели имеют остаточный магнетизм, который устраняет внешнее возбуждение, необходимое для создания магнитного потока.Принцип восстановления кинетической энергии при рекуперативном торможении другой. Двигатели с постоянными магнитами могут работать как генератор без какого-либо источника питания, потому что в роторе есть магниты, которые создают магнитный поток. Точно так же некоторые двигатели имеют остаточный магнетизм, который устраняет внешнее возбуждение, необходимое для создания магнитного потока.Принцип восстановления кинетической энергии при рекуперативном торможении другой. Двигатели с постоянными магнитами могут работать как генератор без какого-либо источника питания, потому что в роторе есть магниты, которые создают магнитный поток. Точно так же некоторые двигатели имеют остаточный магнетизм, который устраняет внешнее возбуждение, необходимое для создания магнитного потока.

В большинстве электромобилей электродвигатель подключен только к единственной ведущей оси (в основном к задней ведущей оси). В этом случае нам необходимо использовать механическую тормозную систему (гидравлическое торможение) для передних колес. Это означает, что контроллер должен поддерживать координацию между механической и электронной тормозной системой при включении тормозов.

Стоит ли внедрять рекуперативное торможение во все электромобили?

В концепции метода рекуперативного торможения нет сомнений в потенциале возврата энергии, но он также имеет некоторые ограничения. Как указывалось ранее, скорость, с которой батареи могут заряжаться, мала по сравнению со скоростью, с которой они могут разряжаться. Это ограничивает количество рекуперированной энергии, которую аккумуляторы могут сохранять при резком торможении (быстрое замедление). Не рекомендуется использовать рекуперативное торможение при полной зарядке. Это связано с тем, что перезарядка может повредить аккумуляторы, но электронная схема предотвращает перезарядку. В этом случае конденсаторная батарея может накапливать энергию и помогать в расширении диапазона. Если его нет, то для остановки автомобиля применяются механические тормоза.

Мы знаем, что кинетическая энергия равна 0,5 * m * v ². Количество энергии, которое мы можем получить, зависит от массы транспортного средства, а также от скорости, с которой он движется. Общая масса больше у тяжелых транспортных средств, таких как электромобили, электрические автобусы и грузовики. В городском цикле движения эти тяжелые автомобили после ускорения набирали большую скорость, несмотря на крейсерскую скорость на низкой скорости. Таким образом, при торможении доступная кинетическая энергия больше по сравнению с электросамокатом, движущимся с той же скоростью. Следовательно, эффективность рекуперативного торможения выше в электромобилях, автобусах и других тяжелых транспортных средствах.. Хотя некоторые электрические скутеры имеют функцию рекуперативного торможения, ее воздействие на систему (количество получаемой энергии или увеличенный запас хода) не так эффективно, как в электромобилях.

Потребность в конденсаторных батареях или сверхконденсаторах

Во время торможения нам нужно мгновенно остановить или снизить скорость автомобиля. Следовательно, операция торможения в этот момент длится непродолжительное время. У аккумуляторов есть ограничение на время зарядки, мы не можем сбрасывать больше энергии за раз, потому что это приведет к разложению аккумуляторов. Кроме того, частая зарядка и разрядка аккумулятора также сокращают срок его службы. Чтобы избежать этого, мы добавляем в систему конденсаторную батарею или ультраконденсаторы. Ультраконденсаторы или суперконденсаторы могут разряжаться и заряжаться в течение многих циклов без какого-либо снижения производительности, что помогает увеличить срок службы батареи. Конденсатор Ultra имеет быстрый отклик, что помогает эффективно улавливать пики / выбросы энергии во время операции рекуперативного торможения.Причина выбора сверхконденсатора заключается в том, что он может хранить в 20 раз больше энергии, чем электролитические конденсаторы. В этой системе находится преобразователь постоянного тока в постоянный. Во время разгона операция наддува позволяет конденсатору разряжаться до порогового значения. Во время замедления (т.е. торможения) понижающий режим позволяет конденсатору заряжаться. Ультраконденсаторы обладают хорошей переходной характеристикой, что полезно при запуске автомобиля. Сохраняя рекуперированную энергию отдельно от аккумулятора, он может помочь в увеличении запаса хода транспортного средства, а также может поддерживать резкое ускорение с помощью схемы наддува.торможение) операция понижающего заряда позволяет конденсатору заряжаться. Ультраконденсаторы обладают хорошей переходной характеристикой, что полезно при запуске автомобиля. Сохраняя рекуперированную энергию отдельно от аккумулятора, он может помочь в расширении диапазона движения транспортного средства, а также может поддерживать резкое ускорение с помощью схемы наддува.торможение) операция понижающего заряда позволяет конденсатору заряжаться. Ультраконденсаторы обладают хорошей переходной характеристикой, что полезно при запуске автомобиля. Сохраняя рекуперированную энергию отдельно от аккумулятора, он может помочь в увеличении запаса хода транспортного средства, а также может поддерживать резкое ускорение с помощью схемы наддува.