Як працює рекуперативне гальмування в електромобілях

Гальмування - один з важливих аспектів транспортного засобу. Механічна гальмівна система, яку ми використовуємо в наших транспортних засобах, має великий недолік - витрачати кінетичну енергію автомобіля як тепло. Це знижує загальну ефективність автомобіля, впливаючи на економію палива. У міському циклі їзди ми, як правило, частіше запускаємо та зупиняємо транспортний засіб у порівнянні з циклічним рухом на шосе. Оскільки ми часто застосовуємо гальмо в міському циклі їзди, втрат енергії стає більше. Інженери придумали рекуперативну гальмівну системудля відновлення кінетичної енергії, що розсіюється у вигляді тепла під час гальмування традиційним методом гальмування. Виконуючи закони фізики, ми не можемо відновити всю втрачену кінетичну енергію, але все-таки значна кількість кінетичної енергії може бути перетворена і збережена в акумуляторі або суперконденсаторі. Відновлена ​​енергія допомагає покращити економію палива в звичайних транспортних засобах та сприяє збільшенню діапазону в електричних автомобілях. Слід зазначити, що процес регенеративного гальмування має втрати під час відновлення кінетичної енергії. Перш ніж продовжувати, ви також можете переглянути іншу цікаву статтю про електромобілі:

• Вступ інженера до електромобілів
• Типи двигунів, що використовуються в електромобілях

Концепція рекуперативного гальмування може бути здійснена в звичайних транспортних засобах, які використовують Fly колесо. Маховики - це диски з великою інерцією, які обертаються з дуже великою швидкістю. Вони діють як механічний накопичувач енергії, забираючи (зберігаючи) кінетичну енергію автомобіля під час гальмування. Енергія, що відновлюється під час гальмування, може бути використана для допомоги транспортному засобу під час старту або руху вгору.

В електромобілях ми можемо вбудувати рекуперативне гальмування набагато ефективніше в електронному вигляді. Це зменшить потребу у важких маховиках, що додає додаткову вагу до загальної ваги автомобіля. Електричні транспортні засоби мають невід’ємну проблему тривожності серед користувачів. Хоча середня швидкість транспортного засобу в міському циклі їзди становить близько 25-40 км / год, часті прискорення та гальмування скоро розряджають акумулятор. Ми знаємо, що двигуни можуть діяти як генератор за певних умов. Використовуючи цю функцію, можна запобігти втраті кінетичної енергії транспортного засобу. Коли ми застосовуємо гальмо в електромобілях, контролер двигуна (на основі виходу датчика педалі гальма) знижує продуктивність або зупиняє двигун. Під час цієї операції контролер двигуна призначений длявідновити кінетичну енергію і зберігати її в акумуляторі або конденсаторних батареях. Рекуперативне гальмування допомагає збільшити дальність дії електромобіля на 8-25%. Окрім економії енергії та збільшення дальності, це також допомагає ефективно контролювати роботу гальмування.

У системі механічного гальмування на колесо здійснюється зворотний момент, коли ми натискаємо на педаль гальма. Подібним чином, у режимі рекуперативного гальмування швидкість автомобіля зменшується за рахунок ініціювання негативного крутного моменту (протилежного руху) в двигуні за допомогою контролера двигуна. Іноді люди плутаються, коли візуалізують концепцію, що двигун діє як генератор, коли він обертається в зворотному напрямку в режимі рекуперативного гальмування. У цій статті можна зрозуміти, як відновити кінетичну енергію методом регенеративного гальмування в електромобілях.

Як двигун діє як генератор

Спочатку ми зосередимося на розумінні того, як двигун може діяти як генератор. Ми всі використовували двигун постійного магніту постійного струму в робототехнічних програмах, таких як лінійний пристрій. Коли колесо робота, підключеного до двигуна, вільно обертається (зовні вручну), іноді ІС драйвера двигуна пошкоджується. Це відбувається тому, що двигун діє як генератор, а генерується зворотний ЕРС (зворотна напруга більшої величини) подається через мікросхему драйвера, що пошкоджує його. Коли ми обертаємо якір у цих двигунах, він зменшує потік від постійних магнітів. В результаті цього ЕМП змушується протистояти зміні потоку. Тому ми можемо виміряти напругу на клемах двигуна. Це тому, що задня ЕРС є функцією швидкості обертання ротора (об / хв). Коли обертів в хвилину більше і якщо генерована задня ЕРС більше напруги живлення, тоді двигун діє як генератор. Подивимось заразяк цей принцип працює в електромобілях, щоб уникнути втрат енергії через гальмування.

Коли двигун прискорює транспортний засіб, пов'язана з ним кінетична енергія збільшується як квадрат швидкості. Під час польоту автомобіль зупиняється, коли кінетична енергія стає нульовою. Коли ми застосовуємо гальмо в електромобілі, контролер двигуна працює таким чином, щоб привести двигун у спокій або зменшити його швидкість. Це передбачає зворотний напрямок крутного моменту двигуна до напрямку обертання. Під час цього процесу ротор двигуна, підключений до ведучої осі, генерує в двигуні ЕРС (аналогічно первинному двигуну / турбіні, що приводить в рух ротор генератора). Коли генерується ЕРС більше напруги на конденсаторній батареї, потужність надходить від двигуна до батареї. Таким чином, відновлена ​​енергія зберігається в акумуляторі або в конденсаторній батареї.

Як працює регенеративне гальмування в електромобілі

Давайте розглянемо, що автомобіль має трифазний асинхронний двигун змінного струму як двигун для його руху. З характеристик двигуна ми знаємо, що коли трифазний асинхронний двигун працює вище своєї синхронної швидкості, ковзання стає негативним, і двигун діє як генератор (генератор змінного струму). За практичних обставин частота обертання асинхронного двигуна завжди менша за синхронну. синхронна швидкість- швидкість обертового магнітного поля статора, що утворюється внаслідок взаємодії трифазного живлення. На момент запуску двигуна ЕРС, наведена в роторі, максимальна. Коли двигун починає обертатися, індукована ЕРС зменшується як функція ковзання. Коли швидкість обертання ротора досягає синхронної швидкості, індукована ЕРС дорівнює нулю. У цей момент, якщо ми спробуємо повернути ротор вище цієї швидкості, буде індукована ЕРС. У цьому випадку двигун подає активну потужність назад до електромережі або джерела живлення. Ми застосовуємо гальма, щоб зменшити швидкість автомобіля. У цьому випадку ми не можемо очікувати, що швидкість обертання ротора перевищує синхронну. Ось тут і з’являється роль регулятора двигуна. Для цілей розуміння ми можемо візуалізувати, як приклад, наведений нижче.

Припустимо, що двигун обертається з 5900 об / хв, а частота живлення становить 200 Гц, коли ми застосовуємо гальмо, ми повинні зменшити оберти / хвилину або звести його до нуля. Контролер діє відповідно до входу датчика педалі гальма і виконує цю операцію. Під час цього процесу контролер встановлюватиме частоту живлення менше 200 Гц, як 80 Гц. Тому синхронна швидкість двигуна стає 2400 об / хв. З точки зору контролера двигуна, швидкість двигуна більше, ніж його синхронна швидкість. Оскільки ми зменшуємо швидкість під час роботи гальмування, двигун тепер діє як генератор, доки оберти не зменшаться до 2400. Протягом цього періоду ми можемо витягувати електроенергію з двигуна та зберігати її в акумуляторі або конденсаторній батареї.Слід зазначити, що акумулятор продовжує живити трифазні асинхронні двигуни під час процесу рекуперативного гальмування. Це пов’язано з тим, що асинхронні двигуни не мають джерела магнітного потоку, коли живлення вимкнено. Тому двигун, виконуючи роль генератора, забирає реактивну потужність з джерела живлення для встановлення потокової зв'язку і подає активну потужність назад до нього. Для різних двигунів принцип відновлення кінетичної енергії під час рекуперативного гальмування різний. Двигуни з постійними магнітами можуть виконувати роль генератора без будь-якого джерела живлення, оскільки в роторі є магніти для створення магнітного потоку. Подібним чином у кількох двигунах є залишковий магнетизм, який виключає зовнішнє збудження, необхідне для створення магнітного потоку.Це пов’язано з тим, що асинхронні двигуни не мають джерела магнітного потоку, коли живлення вимкнено. Тому двигун, виконуючи роль генератора, забирає реактивну потужність з джерела живлення для встановлення потокової зв'язку і подає активну потужність назад до нього. Для різних двигунів принцип відновлення кінетичної енергії під час рекуперативного гальмування різний. Двигуни з постійними магнітами можуть виконувати роль генератора без будь-якого джерела живлення, оскільки в роторі є магніти для створення магнітного потоку. Подібним чином у кількох двигунах є залишковий магнетизм, який виключає зовнішнє збудження, необхідне для створення магнітного потоку.Це пов’язано з тим, що асинхронні двигуни не мають джерела магнітного потоку, коли живлення вимкнено. Тому двигун, виконуючи роль генератора, забирає реактивну потужність з джерела живлення для встановлення потокової зв'язку і подає активну потужність назад до нього. Для різних двигунів принцип відновлення кінетичної енергії під час рекуперативного гальмування різний. Двигуни з постійними магнітами можуть виконувати роль генератора без будь-якого джерела живлення, оскільки в роторі є магніти для створення магнітного потоку. Подібним чином у кількох двигунах є залишковий магнетизм, який виключає зовнішнє збудження, необхідне для створення магнітного потоку.принцип відновлення кінетичної енергії під час рекуперативного гальмування різний. Двигуни з постійними магнітами можуть виконувати роль генератора без будь-якого джерела живлення, оскільки в роторі є магніти для створення магнітного потоку. Подібним чином у кількох двигунах є залишковий магнетизм, який виключає зовнішнє збудження, необхідне для створення магнітного потоку.принцип відновлення кінетичної енергії під час рекуперативного гальмування різний. Двигуни з постійними магнітами можуть виконувати роль генератора без будь-якого джерела живлення, оскільки в роторі є магніти для створення магнітного потоку. Подібним чином у кількох двигунах є залишковий магнетизм, який виключає зовнішнє збудження, необхідне для створення магнітного потоку.

У більшості електромобілів електродвигун підключений лише до однієї ведучої осі (переважно до задньої ведучої осі). У цьому випадку нам потрібно застосувати механічну гальмівну систему (гідравлічне гальмування) для передніх коліс. Це означає, що контролер повинен підтримувати координацію між механічною та електронною гальмівною системою під час гальмування.

Чи варто застосовувати регенеративне гальмування у всіх електромобілях?

У концепції методу регенеративного гальмування немає сумнівів щодо потенціалу уловлювання енергії, але він також має деякі обмеження. Як зазначалося раніше, швидкість, з якою батареї можуть заряджатися, є повільною порівняно зі швидкістю, з якою вона може розряджатися. Це обмежує кількість відновленої енергії, яку акумулятори можуть зберігати під час різкого гальмування (швидке уповільнення). Не рекомендується застосовувати рекуперативне гальмування в повністю заряджених умовах. Це тому, що перезарядка може пошкодити батареї, але електронна схема запобігає перезарядці. У цьому випадку конденсаторна батарея може накопичувати енергію та допомагати в розширенні діапазону. Якщо його там немає, тоді для зупинки автомобіля застосовуються механічні гальма.

Ми знаємо, що кінетична енергія задається 0,5 * m * v ². Кількість енергії, яку ми можемо отримати, залежить від маси автомобіля, а також від швидкості, з якою він рухається. Загальна маса більше у важких транспортних засобів, таких як електромобілі, електробуси та вантажівки. У міському циклі їзди ці важкі транспортні засоби набирають великих обертів після прискорення, незважаючи на швидкість на низькій швидкості. Отже, під час гальмування доступна кінетична енергія є більшою, ніж у порівнянні з електричним скутером, що їде з однаковою швидкістю. Тому ефективність рекуперативного гальмування більша в електромобілях, автобусах та інших важких транспортних засобах. Хоча мало хто з електричних скутерів має функцію регенеративного гальмування, вплив цього на систему (кількість енергії, що отримується, або розширений діапазон) не настільки ефективний, як в електромобілях.

Потреба в конденсаторних банках або ультраконденсаторах

Під час гальмування нам потрібно миттєво зупинити або зменшити швидкість автомобіля. Тому гальмування в цей момент відбувається на короткий час. Батареї мають обмеження за часом заряджання, тому ми не можемо скидати більше енергії за раз, оскільки це погіршить стан акумуляторів. Крім цього, часта зарядка та розрядка акумулятора також зменшує термін служби батареї. Щоб уникнути цього, ми додаємо до системи конденсатор або надконденсатори. Ультраконденсатори або суперконденсатори можуть розряджатися і заряджатися протягом багатьох циклів без будь-яких погіршень продуктивності, що сприяє збільшенню терміну служби акумулятора. Ультраконденсатор має швидку реакцію, яка допомагає ефективно фіксувати піки / сплески енергії під час рекуперативного гальмування.Причиною вибору ультраконденсатора є те, що він може зберігати в 20 разів більше енергії, ніж електролітичні конденсатори. У цій системі розміщений перетворювач постійного струму в постійний. Під час прискорення операція підсилення дозволяє конденсатору розрядитися до порогового значення. Під час уповільнення (тобто гальмування) функція зниження дозволяє конденсатору заряджатися. Ультраконденсатори мають хорошу перехідну реакцію, що корисно під час запуску автомобіля. Зберігаючи відновлену енергію окремо від акумулятора, це може допомогти збільшити дальність дії автомобіля, а також може підтримувати раптові прискорення за допомогою ланцюга наддуву.гальмування) операція зниження дозволяє конденсатору заряджатися. Ультраконденсатори мають хорошу перехідну реакцію, що корисно під час запуску автомобіля. Зберігаючи відновлену енергію окремо від акумулятора, це може допомогти збільшити дальність дії автомобіля, а також може підтримувати раптові прискорення за допомогою ланцюга наддуву.гальмування) операція зниження дозволяє конденсатору заряджатися. Ультраконденсатори мають хорошу перехідну реакцію, що корисно під час запуску автомобіля. Зберігаючи відновлену енергію окремо від акумулятора, це може допомогти збільшити дальність дії автомобіля, а також може підтримувати раптові прискорення за допомогою ланцюга наддуву.