Рекуперативное торможение

Система рекуперации с накопительным конденсатором

Период торможения автомобиля длится достаточно короткое время. Поэтому из-за технологических особенностей устройства современных аккумуляторных батарей (а вернее химических процессов, происходящих при их подзарядке) сохранить большое количество энергии в них довольно трудно. Компания Mazda разработала систему рекуперации с использованием накопительного конденсатора. В процессе торможения специальный генератор с напряжением 12÷25 В за короткий отрезок времени заряжает емкость. Далее накопленная энергия через конвертор (DC/DC) преобразуется в привычные 12 В и поступает либо на различные потребители (кондиционер, CD-плейер и так далее), либо подзаряжает штатную аккумуляторную батарею. По утверждению производителя экономия топлива составляет не менее 10%.

Тормозить и запасать: системы рекуперации в современных машинах

Десятки машин с системой Bosch и Eaton уже более десяти лет эксплуатируются в США, и их гибридный привод проявил себя как надежный и недорогой. Суть работы такой установки заключается в возможностях гидромотора, который при торможении закачивает рабочую жидкость в большой гидроаккумулятор – трубу со сжатым газом. При разгоне машины газ вытесняет жидкость, жидкость крутит тот же гидромотор и помогает экономить топливо. В системе нет дорогих аккумуляторов, и ресурс ее очень велик. Мощность гидромоторов тоже велика, а стоимость, наоборот, крайне низкая.

Одна загвоздка: гидроаккумулятор имеет большие габариты и массу, и реально его энергии хватает на один-два цикла разгона и торможения, пробег без включения ДВС составляет всего пару километров для легковой машины и сотни метров для грузовика. При использовании на автобусах или мусоровозах подобная система позволяет полностью отказаться от использования традиционных тормозных механизмов, гидромотор может замедлить машину вплоть до полной остановки. В этом пневмогидравлический рекуператор даже превосходит электрические системы, те при малой скорости вращения колес уже не эффективны.

Дополнительным плюсом является возможность запасти энергию надолго, на часы и дни. В отличие от маховиков, которые уже через десятки минут теряют солидную часть запасенной мощности. К сожалению, масштабные планы компании Peugeot были прохладно восприняты новыми акционерами из китайской Dongfeng, а также партнерами по разработке системы из Ford. Но судя по новостям, именно китайские грузовики Dongfeng могут оказаться следующими массовыми носителями этой технологии.

Электроторможение с рекуперацией

Главным конкурентом этих безусловно интересных, но обладающих множеством ограничений схем выступает уже классическая электрическая схема с электромотором, аккумуляторами или суперконденсаторами.

Обычное электрическое торможение и рекуперация хороши уже тем, что используются на железной дороге около 60 лет и отработаны до мелочей. Все конструктивные схемы с синхронными, асинхронными и коллекторными двигателями давно известны и рассчитаны. Энергия передается обратно в питающую сеть, запасается в аккумуляторы или суперконденсаторы и может быть использована через длительное время.

Основная беда электрических тормозов в том, что они плохо сочетаются с ДВС, и для эффективного использования электроэнергии пришлось совместить обычный двигатель внутреннего сгорания и всю атрибутику электромобиля – аккумуляторы и тяговый электродвигатель – в одном механизме. Получившиеся гибриды обычно так и называют просто «гибридами». И несмотря на сложность и высокую массу такой схемы, в данный момент она является единственной серийно использующейся в легковом автомобилестроении и уже весьма популярной.

Гибриды на данный момент оказываются самым перспективным направлением развития автомобилей с точки зрения снижения расхода топлива, а прогресс в создании аккумуляторных батарей и развитие так называемых «подзаряжаемых гибридов», по сути являющихся промежуточным звеном между чистыми электромобилями и гибридами, делает их важным элементом в эволюции персонального автотранспорта.

В 1997 году вышла первая серийная Toyota Prius, которая остается на данный момент самой популярной гибридной машиной и законодателем мод в своем классе. В ее схеме приняли решение использовать электромоторы малой мощности и недорогую никель-металлгидридную аккумуляторную батарею также малой мощности, а для компенсации этих недостатков наделили машину очень сложной трансмиссией со множеством режимов работы ДВС, электродвигателя и генератора. Успех этой схемы сильно повлиял на развитие подобных технологий у других производителей. Сейчас число моделей машин с гибридным приводом перевалило за два десятка.

Что такое рекуперативная система торможения?

111 Мир в последние годы просто «заболел» возобновляемыми источниками энергии и вопросами экологии. Мы научились приводить в движение машину не только бензином, но и шоколадом и даже детскими подгузниками. Но ведь правда, почему мы должны производить отходы и загрязнять ими планету, если из мусорного пластика можно произвести пластиковые пакеты, а из отходной древесины — бумагу на кассовые чеки? Вот и автомобилестроители задумались: почему мы должны просто «убивать» энергию (кинетическую) качения автомобиля, когда мы можем её преобразовывать и аккуратно и бережливо складывать в аккумулятор?! Так и появилась рекуперативная система торможения автомобиля.

Рекуперативная тормозная система используется в автомобилях, чтобы окупить часть энергии, которая теряется, когда автомобиль тормозит. Эта технология используется, в основном на гибридных и электрических транспортных средствах, использующих как бензин или дизельное топливо, так и электричество в качестве источников энергии. Энергия, которая производится при торможении, сохраняется в аккумуляторной батарее и используется позднее для питания двигателя, экономя значительное количество исходной зарядки аккумулятора.

Как работает обычная тормозная система?

На обычных транспортных средствах в целях торможения используется сила трения для противодействия импульса движущегося автомобиля. Тормозные колодки трутся о диск или барабан, который подключен к оси, в результате чего кинетическая энергия (энергия движения) преобразуется в тепловую. Затем эта полученная тепловая энергия рассеивается в воздухе, теряя примерно 30 процентов генерируемой мощности автомобиля. Далее для того, чтобы снова набрать эту кинетическую энергию, двигатель вынужден сжигать топливо в целях восстановления прежней скорости (например, после проезда светофора).

Как работает система рекуперативного торможения?

Гибридные и электрические автомобили используют совершенно другой способ торможения, но обычно только на низких скоростях. Гибридные автомобили по-прежнему используют обычные тормозные колодки на высоких скоростях, но электродвигатель помогает такому автомобилю тормозить на низких скоростях. Во время того как водитель нажимает педаль тормоза, электродвигатель крутится в обратном направлении. Крутящий момент, созданный таким противодействием электродвигателя, противодействует импульсу движения автомобиля вперёд и в конечном итоге останавливает машину.

Так выглядит система рекуперативного торможения

Как генерируется электричество в рекуперативной системе?

Регенеративная тормозная система, однако, делает намного больше, чем просто останавливает машину. Дело в том, что электродвигатели и электрогенераторы — это по существу две стороны одной и той же технологии. Оба этих устройства используют магнитные поля и спиральные провода, но в разных конфигурациях. Системы рекуперативного торможения как раз и пользуются этой двойственностью. Всякий раз, когда электродвигатель автомобиля начинает крутиться в обратном направлении, он превращается в электрический генератор. В результате обратного вращения в аккумулятор, из которого изначально питался двигатель, теперь подаётся ток обратно — то есть электродвигатель теперь питает батарею, а не наоборот. А уже аккумулятор знает своё дело — он конвертирует электрическую энергию в химические вещества, чтобы использовать её позже.

Таким образом, мы видим, что такая технология рекуперативного торможения бережно сохраняет энергию, которая, как правило, терялась бы впустую во время обычного бесполезного торможения, и превращает её в полезную энергию. Но, тем не менее, рекуперативная система, конечно же, никогда не сможет стать вечным двигателем. Довольно много энергии всё ещё теряется в результате трения с поверхностью дороги, сопротивления воздуха, трения деталей автомобиля и множества других факторов. Но даже эти существенные факторы не главные в потере КПД рекуперации — главный источник потерь — это необходимость применения обычного торможения на высоких скоростях, так как рекуперативная система торможения без участия обычных колодок пока ещё не способна остановить машину с той же эффективностью.

Тормоза — гарантия безопасности

Разработчики много работают над тормозной системой. Электрокары и байки с мотором имеют уникальную систему торможения. Она гарантирует быструю остановку машины при возникновении экстремальной ситуации.

Что такое рекуперация на электровелосипеде? Практически то же, что и в гибридных или электрических машинах. Это способ торможения при помощи электродвигателя. Суть ее работы — быстрое гашение энергии движения.

До 30% кинетической энергии во время резкой остановки улетучивается. Она попросту растворяется вокруг. Принцип рекуперации состоит в перенаправлении высвобождаемой энергии на питание АКБ.

То есть, значительная часть кинетической энергии преобразуется в электрическую. Затем она возвращается в батарею. Аккумулятор пополняется. Увеличивается пробег.

Данная система повышает эффективность электробайка. Владелец может преодолевать более длинные дистанции, используя одну зарядку батареи. Но нельзя переоценивать этой способности. Возможности мотор-колеса весьма ограничены.

Чтобы существенно пополнить аккумуляторную батарею, колесо должно иметь очень серьезные обороты. Тогда двигатель действительно выработает большой коэффициент напряжения в режиме генератора.

Кроме того, эффективность рекуперации определяется характером езды. Иногда владельцы сознательно выходят на сложные маршруты. Они любят преодолевать препятствия, резкие повороты, внезапные остановки.

Такая стилистика вождения способна по максимуму преобразовывать кинетическую энергию. Однако существенного пополнения батареи бессмысленно ждать. Батарея забирает назад не более 3% заряда. Трасса со сложным рельефом этот показатель увеличит до 5% или чуть больше.

Нельзя рассматривать рекуперацию как способ постоянной подзарядки аккумулятора. Способность подзаряжать аккумулятор — это приятный побочный эффект от разработчиков.

Любой электробайк — это удобное, высокофункциональное ТС. С ним можно обходить многокилометровые пробки, везде успевать и просто отлично проводить время за городом.

Рекуперативное торможение что это и когда будет наших авто

Рекуперативное торможение — что это такое и как работает?

Друзья, вы наверняка замечали, что в последние годы тема всевозможных возобновляемых и экологически чистых источников энергии муссируется очень активно.

В связи с этим хотелось бы поговорить о системе, которая просто таки творит чудеса — система рекуперативного торможения.

Во первых хочется сказать, эта новомодная система добралась все-таки и до любимых нами легковушек. Теперь уже практический каждый автопроизводитель имеет в своём арсенале по парочке моделей с гибридной силовой установкой, а то и вообще электромобиль.

Рекуперативное торможение — источник энергии

В чём же суть данной технологии? Оказывается, что во время движения наши с Вами автомобили не только поглощают энергию, съедая топливо, но и выделяют её.

Происходит это, как правило, во время торможения, когда масса кинетической энергии улетучивается в виде тепла от тормозных механизмов в атмосферу. «Зачем же нам греть воздух, если можно использовать её в других целях», — как-то раз задумались инженеры.

Результатом их трудов и стала система рекуперативного торможения, то есть такая, которая возвращает часть выделяющейся энергии обратно, в организм автомобиля, где потом используется вновь, а это значит, что мы экономим.

Проще всего такой фокус можно реализовать на гибридных машинах и электромобилях. Почему? Ответ будет дальше.

Кстати, автомобильный транспорт не единственный, где можно встретить рекуперационные системы. Довольно активно и давно они используется на железной дороге у электровозов, а также на городском электротранспорте – трамваях и метро.

Как сохранить энергию торможения?

С сутью рекуперации мы, кажется, разобрались, теперь остаётся выяснить, как она реализована на практике. Есть несколько способов повернуть энергию, выделяющуюся при торможении, в нужное русло. Мне известны только два:

• электрический;
• механический.

Электрический метод

Электрическое рекуперативное торможение, с технологической точки зрения можно назвать самым доступным, и именно он наиболее точно подходит под определение этой системе.

Система рекуперативного торможения

Электрический метод актуален для автомобилей с гибридными моторами (ДВС + электропривод) или для электромобилей.

Главную роль тут играют электродвигатели, которые благодаря своим свойствам, могут не только крутить колёса, но и крутиться сами под воздействием внешних сил, превращаясь в генераторы.

В момент рекуперативного торможения, электромотор переключается в генераторный режим и создаёт дополнительное останавливающее усилие на осях. В этом случае он уже не потребляет энергию аккумулятора, а наоборот, подзаряжает его, и так повторяется каждый раз, когда вы нажимаете на тормоз.

Таким образом, по подсчётам автопроизводителей, подобная система рекуперации на гибридном авто экономит до 30% запасов топлива.

Необходимо отметить, что в зависимости от скорости машины, электроника сама выбирает как ей лучше оттормаживаться – с помощью электродвигателя или традиционными методами.

Механический способ

Механическое рекуперативное торможение. По сути, это не система рекуперативного торможения, а система рекуперации кинетической энергии, так как она не способствует тому, чтобы автомобиль остановился, а просто накапливает часть энергии, выделяющейся во время снижения скорости.

В данном методе в качестве ключевого элемента используется маховик, который раскручивается во время торможения и затем отдаёт эту кинетическую энергию по мере дальнейшего движения авто.

Вращается маховик в вакуумной камере, а при торможении автомобиля раскручивается до 60000 об/мин. Конструкция такова, что она сохраняет энергию во вращательном маховике до 600 кДж, а при отдаче выдает мощность до 60 кВт, что составляет 80 л.с.

Такая система, получившая название KERS, несколько лет назад эксплуатировалась на гоночных машинах Формулы-1, где позволяла кратковременно добавить двигателю внутреннего сгорания ещё несколько десятков лошадиных сил.

В гражданской технике рекуперативное торможение пока является экзотикой и серийно не устанавливается.

Система KERS — рекуперация кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems)

Таким образом, наши дорогие читатели, мы видим, что игры с кинетической энергией, выделяющейся при торможении, могут давать вполне ощутимые результаты в виде экономии топливных ресурсов.

Но, справедливости ради, нужно заметить, что все эти системы довольно дорогое удовольствие, которое пока что очень осторожно становится массовым продуктом

На этом всё, спасибо за внимание и до новых встреч!

Что такое рекуперация?

«Recuperatio» — именно от этого латинского слова произошла «рекуперация». Его значение — «обратное получение». Говоря более конкретно, это означает возвращение некоторого количества энергии или вещества, для дальнейшего применения в том же процессе. В случае со средствами передвижения, речь идёт о трансформации в процессе торможения кинетической энергии в электрическую.

Движущийся автомобиль — это кинетическая энергия, а при задействовании тормозной системы, ей нужно куда-то деваться. В машинах работа тормозных механизмов основана на трении, от которого при замедлении транспортного средства будет вырабатываться тепло. Что из этого следует? А то, что оно просто уходит в никуда — бесследно растворяется в окружающей среде.

Смекалистые инженеры пошли на хитрость: они решили пускать даровую энергию в рациональное русло и добились того, что некоторая её часть таки будет возвращена. При следующем ускорении машины, аккумулятор будет использовать энергию, сохранённую ранее от рекуперации.

Здесь важно понимать, что регенерация не является каким-то волшебством, увеличивающим пробег средства передвижения на одном заряде. Данная система не сделает ваш автомобиль более эффективным как таковым, она просто делает его менее неэффективным

Если говорить по сути, то идеальной будет такая езда, при которой вы разгонитесь до определённого постоянного скоростного режима и будете удерживать его, не прибегая по ходу движения к торможению.

Дело в том, что для замедления и последующего возвращения к прежнему темпу езды, понадобятся дополнительные энергозатраты поэтому, чтобы рассчитывать на большой запас хода, нужно полностью избегать замедлений. Очевидно, что воплотить подобную затею в жизнь — не реально. На практике, прибегать к замедлению приходится довольно часто, а рекуперация всего лишь делает процесс торможения менее бесполезным.

https://youtube.com/watch?v=a6d-53egK1k

Способы электрического торможения электроприводов

Для того чтобы быстро остановить устройство или обеспечить постоянную скорость вращения используют электрические способы остановки. В зависимости от схемы включения тормозные режимы подразделяют на:

• противовключения;
• динамический;
• рекуперативный.

Противовключения

Режим противовключения применяется при необходимости быстрой остановки механизма. Представляет собой смену полярности на обмотке якоря двигателя постоянного тока или переключения двух фаз на обмотках асинхронного электродвигателя.

В этом случае ротор вращается в противоположном направлении магнитного поля статора. Вращение ротора замедляется. При скорости вращения близкой к нулю с реле контроля скорости поступает сигнал, отключая механизм от сети.

На нижеприведенном рисунке представлена схема противовключения асинхронного электромотора.

После переключения обмоток возникает повышенное действующее напряжение и увеличение тока. Для его ограничения, в обмотки ротора или статора устанавливают дополнительные резисторы. Они ограничивают токи в обмотках в режиме торможения.

Динамическая остановка электропривода

Этот способ применяют на асинхронных машинах, подключенных к сети переменного тока. Он заключается в отключении обмоток от сети переменного напряжения и подачи постоянного тока на обмотку статора.

На вышеприведенном рисунке представлена схема торможения трехфазного двигателя постоянным током.

Подача постоянного напряжения осуществляется с помощью понижающего трансформатора для динамического торможения. Пониженное переменное напряжение преобразуется в постоянное диодным мостом и подается на статорную обмотку. Для торможения электромотора может применяться дополнительный источник постоянного тока.

При этом ротор может быть выполнен в виде «беличьей клетки» или ее обмотку подключают к добавочным резисторам.

Постоянное напряжение создает неподвижный магнитный поток. При вращении ротора в нем наводится ЭДС, т.е. электромотор переходит в режим генератора. Возникающая электродвижущая сила рассевается на обмотке ротора и добавочных резисторах. Создается тормозной момент. В момент остановки механизма постоянное напряжение отключается по сигналу реле скорости.

Механизмы, где применяется электродвигатель с самовозбуждением, динамическую остановку выполняют с помощью подключения конденсаторов. Они соединяются треугольником или звездой.

Схема приведена на нижеприведенном рисунке.

На выбеге остаточная энергия магнитного поля переходит в заряд конденсаторов, а затем она питает обмотку статора. Возникающий тормозной эффект останавливает механизм. Конденсаторная батарея может быть подключена постоянно или подсоединяться в момент отключения от сети. Такая схема получила название «конденсаторное торможение асинхронного двигателя».

Если необходимо быстро остановить двигатель, то после отключения от сети, замыкают контакты накоротко без гасящих резисторов. При соединении обмоток закорачиванием в них возникают большие токи. Для уменьшения токов к обмоткам подключают токоограничивающие резисторы.

На нижеприведенном рисунке представлена схема с токоограничивающими резисторами.

Рекуператор – тепловые трубы

Такой рекуператор представляет собой замкнутую систему трубопроводов, закачанных хладагентом, который в результате нагревания вытяжным воздухом испаряется, а при контакте с холодным приточным воздухом вновь конденсируется и принимает жидкое агрегатное состояние. Показатель эффективности находится в пределах 50–70 %.

Рекуператор воздуха, применяемый в системе вентиляции, позволяет добиться значительного снижения нагрузки на отопительную систему. Однако даже применение рекуператора требует обычно использования дополнительных секций в системе вентиляции. Для подогрева приточного воздуха применяются электрические нагревательные элементы или жидкостные калориферы, а для охлаждения приточного воздуха до заданной температуры — центральные кондиционеры или чиллеры.

Применение классических типов рекуператоров в системах вентиляции даёт возможность вторично использовать от 45 % тепла вытяжного воздуха.

Однако развитие систем рекуперации не стоит на месте, и способы и эффективность утилизации тепла вытяжного воздуха для сохранения его внутри обслуживаемых помещений постоянно совершенствуются. Результатом такого развития является, например, система с термодинамической рекуперацией тепла (тепловой насос вида «воздух-воздух» используется совместно с пластинчатым или роторным рекуператором), которая использует контур теплового преобразователя с прямым расширением, размещаемый в виде фреоновых теплообменников в вытяжном и приточном канале приточно-вытяжной установки после классического пластинчатого (или роторного) рекуператора. Такая система, после теплообмена непосредственно в рекуператоре, позволяет получить с вытяжного воздуха ещё какое-то количество тепла для передачи приточному, доводя общий показатель эффективности до 95–100 %. Таким образом, удаётся добиться максимально комфортной, то есть заданной температуры приточного воздуха почти без расхода энергоресурсов.

Ещё одно неоспоримое преимущество термодинамической или активной рекуперации состоит в том, что исключается потребность в дополнительных секциях нагрева и охлаждения.

В настоящее время уже разработаны и производятся установки, сочетающие в себе устройства приточной и вытяжной вентиляции, рекуператор воздуха и тепловой насос вида «воздух–воздух» для активной рекуперации. Данные приточно-вытяжные рекуперативные установки являются отличным универсальным решением для организации системы вентиляции в современных зданиях и сооружениях.

Весь модельный ряд приточно-вытяжных установок (ПВУ) с рекуперацией тепла по своим характеристикам оптимально подходит для реализации проектов приточно-вытяжных вентиляционных систем любых зданий и помещений бытового, служебного или промышленного назначения за счёт использования технологии «активной» рекуперации тепла (встроенная секция охлаждения или нагрева тепловым насосом вида «воздухвоздух»). Значительный эффект энергосбережения демонстрируют промышленные версии рассматриваемых установок.

При этом чем больше производственные мощности или выше требования к воздухообмену, тем значительнее экономия. Достаточно сказать, что по нормам воздухообмена в ряде промышленных производств (металлургия, химическое производство, кузнечные цеха) и в аспирационных системах требуется пятиили даже десятикратный обмен воздуха ежечасно. Проекты промышленной вентиляции с использованием данных ПВУ достаточно быстро окупаются.

В бытовых приточно-вытяжных установках используются ЕС-кулеры, которые, имея увеличенное давление воздуха и перекачиваемый объём, потребляют до четверти меньше электрической энергии по сравнению с идентичными асинхронными электродвигателями.

Промышленная линейка установок для регулирования производительности комплектуется частотными преобразователями.

Также опционально модели можно дооснастить инверторами и дополнительными теплообменниками, идеально приспособив установку к требованиям конкретного проекта.

Разновидности рекуператоров для вентиляции

Встречающиеся в продаже виды рекуператоров различаются конструкцией. Это определяет эффективность устройства, а также может накладывать ограничения на область использования.

Пластинчатый

Модели очень популярны благодаря доступной цене и высокой эффективности. Этому способствует и простая установка. Часто их приобретают для коттеджных построек, помещений коммерческого назначения. Рекуперация воздуха в них осуществляется во время прохождения через конструкцию из большого числа пластинок. Строение таких приборов предрасполагает к накапливанию конденсированной влаги, поэтому часто их оснащают затворными приспособлениями, не дающими вентилятору засасывать и направлять воду в вентканал. Зимой возникает риск появления льдинок.

Роторный

Принцип работы роторного рекуператора

Рекуператор тепла оснащен крутящимся ротором. Он осуществляет передачу теплоты между приточным и отточным путями. Скорость движения определяет показатели рекуперации. Устройства имеют высокий КПД (до 90%) и соответствующую стоимость. Используются в крупных помещениях промышленного и иного назначения. Открытость конструкции повышает вероятность перемещения запахов из отработанного воздуха в поступающий.

С промежуточным теплоносителем

Обычно в роли жидкого теплоносителя, циркулирующего между парой теплообменных элементов, выступает простая вода. Иногда используется раствор этиленгликоля. Один обменник монтируют в приточном вентканале, второй – в отточном. Жидкость подогревается отработанным воздухом и отдает теплоту приточному. Благодаря замкнутости конструкции грязь и запахи из вытяжного канала не поступают в приточный

У такого рекуператора невысокий КПД (50-60%), поэтому ставят его в тех местах, где важно исключить смешивание потоков. Обычно это подразумевает высокую загрязненность отработанного воздуха или его насыщенность вредными соединениями

Камерный

В основе конструкции – камера, поделенная на 2 зоны перегородкой. Отработанный воздух подогревает одну из частей. Перегородка меняет направление потока воздуха так, что происходит подогрев приточных масс от теплой внутренней поверхности камеры. Устройство достаточно эффективно (до 80%), но существует вероятность попадания запахов и грязи в струю, поступающую в помещение.

Тепловые трубы

В основе этой конструкции – трубочки, наполненные фреоном. Отработанные массы, идя через устройство, передают трубам свое тепло, газ испаряется. При прохождении идущего с улицы воздуха через систему происходит конденсация пара с переходом вещества в жидкую форму. КПД такого рекуперативного устройства невысок (до 70%).