Щоразу, коли ви натискаєте на педаль гальма, ви буквально викидаєте гроші на вітер. Закони фізики не дозволяють енергії просто зникати. Кінетична енергія, що рушить автомобіль уперед, повинна кудись подітися при уповільненні. В автомобілі зі звичайним двигуном внутрішнього згоряння ця енергія розсіюється як тепла. Вона нагріває гальмівні диски. Вона випаровується в повітря. Марно.
Чи можете ви, як водій, зупинити цю витрату енергії? Не зовсім. Гальмування неминуче. Ви не можете їхати, не сповільнюючись. Але автомобільні інженери десятиліттями думали над цією проблемою. Вони створили систему повернення цієї кінетичної енергії. Вона перетворює рух на електрику. Потім ця енергія повертається до акумулятора. Це і є рекуперативне гальмування.
Сьогодні такі гальма ви бачите в основному у гібридах, таких як Toyota Prius. Вони є і в повністю електричних автомобілях, таких як Tesla Model S. Підтримка заряду акумулятора має вирішальне значення для цих машин. Однак технологія не нова. Вона почалася з трамваїв. Наразі вона застосовується і в електричних велосипедах. Навіть гоночні автомобілі Формули-1 використовують її.
Зміст
Механіка відновлення енергії
Звичайні гальма покладаються на тертя. Гальмівні колодки притискаються до дисків. Колеса пручаються дорожньому покриттю. Тертя перетворює кінетичну енергію на тепло. Рекуперативні гальма працюють інакше. Електродвигун бере основне навантаження на себе. Коли ви відпускаєте педаль акселератора або трохи натискаєте на гальмо, двигун змінює режим роботи. Він діє як генератор. Він починає обертатися у зворотний бік. Це сповільнює колеса. Це також створює електрику. Енергія надходить в акумуляторну батарею.
Система не ідеальна. Вона найкраще працює на певних швидкостях. Режим “старт-стоп” є для неї ідеальним. Гальмування на високій швидкості по трасі, як і раніше, вимагає використання звичайних гальм з тертям. Вони є резервною системою. Вони включаються, коли рекуперація не може зупинити автомобіль досить швидко. Водії мають знати про це. Відчуття педалі змінюється. Вона може йти глибше, ніж очікується. Це глибоке натискання може спричинити паніку. Це видається неправильним. Це просто інше.
Чому важлива ефективність
Системи рекуперативного гальмування вловлюють енергію, яка інакше було б втрачено. Це підвищує загальну ефективність. Гібридні та електричні автомобілі залежать від цієї ефективності. Це підвищує запас ходу. Це знижує знос гальмівних колодок. Гальма з тертям служать довше. Витрати обслуговування знижуються. Але система це не магія. Має обмеження. Різке гальмування, як і раніше, виділяє тепло. Перехід між рекуперативним та звичайним гальмуванням може відчуватися ривками. Деяким водіям це не до вподоби. Вони хочуть стабільного відчуття традиційних колодок. Інші люблять режим керування на одній педалі. Одна нога контролює швидкість та зупиняє автомобіль.
Технологія продовжує розвиватись. Нові алгоритми згладжують перехід. Більш досконалі акумулятори накопичують більше відновленої енергії. У міру того, як електричні автомобілі стають більш поширеними, розуміння того, як вони зупиняються, стає настільки ж важливим, як і знання того, як вони їдуть. Майбутнє гальмування – це не лише зупинка. Це економія енергії.
Як рекуперативне гальмування відновлює енергію
Електродвигуни мають подвійну природу. Якщо змусити їх обертатися вперед, вони перетворять електрику на рух. Якщо змусити обертатись назад, вони виробляють електрику. Ця оборотність лежить в основі рекуперативного гальмування у гібридних автомобілях та електромобілях. Вона перетворює колеса на генератори. Замість того, щоб втрачати кінетичну енергію у вигляді тепла, система вловлює її.
Процес ґрунтується на інерції. Коли ви забираєте ногу з педалі акселератора, рух автомобіля вперед змушує двигун обертатися у зворотному напрямку. Двигун чинить опір цьому руху. Цей опір уповільнює автомобіль. Одночасно він виробляє електрику. Цей струм надходить назад до акумуляторної батареї. Збережена енергія може збільшити запас ходу. Вона також може допомогти автомобілі знову прискорити пізніше.
Електроніка, що стоїть за гальмуванням
Просто так взяти та реверсувати двигун, щоб він працював, не можна. Електроніка складна. Спеціалізовані схеми визначають точний момент перемикання режимів. Вони направляють потужність, що виробляється в батареї. У деяких конструкціях конденсатори накопичують цю енергію для швидкого сплеску потужності.
У більшості автомобілів, як і раніше, використовуються традиційні фрикційні гальма. Система повинна вибирати між рекуперацією та гальмівними колодками. Це вирішує комп’ютер. Він балансує ефективність та безпеку. Він визначає, яка система підходить у конкретний момент.
Рекуперативне гальмування перетворює механічну енергію на електричну, повертаючи їх у систему зарядки автомобіля.
Водії часто мають контроль над цією поведінкою. Багато автомобілів пропонують передустановки. Можна вибрати, наскільки агресивно активується рекуперація. Деякі автомобілі починають гальмувати одразу, як тільки ви прибираєте ногу з педалі. Інші котяться природніше. Це дозволяє настроїти відчуття від водіння. Ви можете вирішити, чи зупиняється автомобіль повністю або котиться до повної зупинки.
Майбутнє гальмування по дротах
Індустрія рухається до систем гальмування проводами (brake-by-wire). Традиційні механічні зв’язки замінюються електронним керуванням. Гібридні та електричні автомобілі, ймовірно, стануть лідерами цього впровадження. Складність потребує різних схемних рішень від різних інженерів. Але один компонент залишається центральним для них.
Контролер гальмування є найважливішою частиною. Він керує всім процесом. Він забезпечує реверс двигуна у потрібний час. Він спрямовує потужність у потрібне місце. Він взаємодіє з традиційними гальмами. Без нього рекуперативне гальмування залишається лише теоретичною концепцією.
Контролери рекуперативного гальмування
Контролери гальм – це електронні «мозкові центри». Вони визначають момент початку гальмування та швидкість наростання тиску. У ситуаціях буксирування вони синхронізують гальма причепа з гальмівною системою транспортного засобу, що буксирує. Без них ви дієте навмання. З ними забезпечується координація.
Системи рекуперативного гальмування не працюють ізольовано. Вони тісно взаємодіють з антиблокувальною системою гальм (ABS). Контролер рекуперативного гальмування віддзеркалює логіку роботи ABS. Він відстежує швидкість обертання коліс. Він контролює різницю швидкостей між колесами. Якщо одне колесо уповільнюється швидше за інше, система реагує.
Однак у гібридних та електромобілях завдання контролера стає складнішим. Контролер розраховує доступний момент, що крутить. Крутний момент — це сила, що обертає. Він вимірює, скільки механічної енергії можна перетворити на електричну. Ця електрична енергія повертається до акумуляторної батареї або суперконденсаторів.
Контролер керує зарядом. Він гарантує, що батареї отримують оптимальну кількість енергії. Він також запобігає перевантаженню. Жодна батарея не любить отримувати струм більше, ніж може безпечно поглинути. Контролер діє як вартовий.
Контролер гальм визначає, чи здатний двигун витримати гальмівне зусилля. Якщо ні, вступають у дію гальма тертя.
Найважливіша функція? Ухвалення рішень. Чи здатний електричний двигун зупинити автомобіль прямо зараз? Іноді – так. Часто – ні. Умови змінюються. Стан заряду батареї коливається. Температура падає.
Якщо двигун не має достатньої потужності, контролер передає керування. Він перемикається на гальма тертя. Це запобігає катастрофі. Це гарантує припинення, коли це необхідно, незалежно від електронних обмежень.
У гібридних та електромобілях жоден інший електронний компонент не уможливлює рекуперативне гальмування. Контролер гальм є ключовою ланкою. Він балансує між відновленням енергії та безпекою транспортного засобу. Він перетворює кінетичну енергію на запасну потужність. І коли цю енергію неможливо накопичити, він задіює гальмівні колодки та диски, щоб зупинити автомобіль.
Рекуперативне гальмування в гібридних автомобілях
Ця інтеграція створює безшовні цикли. Водій натискає на педаль. Контролер оцінює здатність двигуна до рекуперації. Він відповідно регулює рівень рекуперації. Результатом є більш плавне уповільнення. Це відчувається природно. Не магія. Це просто точне електронне управління двома абсолютно різними системами гальмування, що працюють як одне ціле.
Брудний секрет гібрида: тривога за зарядку
Ви думаєте, що рятуєте планету, керуючи гібридом. Насправді ні.
Гібридні електромобілі (HEV) – це компроміс. Вони поєднують двигун внутрішнього згоряння з електромотором, забезпечуючи запас ходу бензобака та ефективність батареї. Але ось у чому каверза: батарея повинна залишатися зарядженою. Якщо вона розрядиться, автомобіль перетвориться на ще одну важку металеву коробку, що спалює викопне паливо. І на відміну від гібридів, що підключаються, або повністю електричних автомобілів, звичайні гібриди практично не мають місця для підключення зарядки. Нема зарядної станції. Нема розетки. Тільки ви, бензоколонка та надія на те, що ваш стиль водіння досить економічний.
Це створює парадокс. Інженери витрачають мільйони на аеродинамічні форми та легкі матеріали, щоб вичавити кожну милю на галон пального. Вони покладаються на рекуперативне гальмування для захоплення енергії, яка інакше була б втрачена як тепло. Але в традиційному гібриді ця уловлена електроенергія лише допомагає електродвигуну. Бензиновий двигун нічого не отримує. Він не виграє. Він просто чекає, поки рівень заряду батареї впаде занадто низько, щоб взяти під контроль.
Саме в тривалих подорожах ілюзія руйнується. Не можна заряджати на трасі. Ви змушені працювати над двигуном. Перевага «гібрида» зникає. Ви просто керуєте автомобілем із двигуном внутрішнього згоряння, до шасі якого прикріплено важкий непотрібний акумулятор.
Отже, як полагодити систему, яку не можна підключити до розетки? Як зробити енергію гальмування корисною для головного двигуна?
З’являється гідравлічна альтернатива.
Гідравлічне рекуперативне гальмування
Традиційне рекуперативне гальмування надсилає електроенергію до батареї. Гідравлічні системи йдуть іншим шляхом. Вони зберігають енергію у формі стисненої рідини, а не електронів.
Чому це має значення?
Оскільки гідравлічні гальма можуть повертати енергію назад у саму гідравлічну гальмівну систему. Це не тільки економія електроенергії для двигуна. Йдеться про підтримку тиску в системі. Це зменшує навантаження на двигун, коли йому потрібно перекачувати рідини. Створюється замкнутий цикл, який настільки жорстко не залежить від стану заряду акумулятора.
Це механічне вирішення електричної проблеми.
Більшість гібридів використовують електричні двигуни, тому що технологія є зрілою. Акумулятори дешеві (відносно). Мотори ефективні. Але вони важкі. Вони деградують з часом. Їм потрібні системи охолодження. Гідроакумулятор простіше. Менше рухомих частин. Менше проблем з терморегуляцією.
Але це не мейнстрім. чому
Тому що автомобільна промисловість одержима електрикою. Кожен новий автомобіль позиціонується як крок до повної електрифікації. Гідравлічні системи здаються кроком назад. Реліквія. Вони не вписуються в наратив цифрового автомобіля. У них немає екранів. Вони не мають оновлень по повітрю (OTA).
Однак для автомобіля, який ніколи не можна підключити до розетки, вони можуть бути єдиним логічним вибором.
Уявіть собі гібрид, який не хвилюється про розряд батареї. Уявіть собі систему, де кожна зупинка збільшує тиск, а не просто заряджає. Де гальмівна сила допомагає двигуну легше дихати.
Мова йде не про заміну батареї. Ми говоримо про бронювання. Йдеться про те, щоб не класти всі яйця в електрохімічний кошик.
Промисловість зайнята створенням все більших акумуляторів для автомобілів, які можна заряджати від розетки. Вони ігнорують мільйони водіїв, які не можуть або не хочуть цього робити. Або живуть у квартирах без розеток. Для них гідравлічний гібрид – не пережиток. Це рятівний круг.
Чи хвилює це ринок?
Ford та Eaton роблять ставку на гідродинаміку замість електрики. Вони розробили систему Hydraulic Power Assist (HPA) – рекуперативну гальмівну систему, яка замінює високовольтні кабелі лініями високого тиску. Це зовсім інша технологія.
Ось як працює фізика процесу. Коли ви відпускаєте педаль акселератора та натискаєте на гальмо, кінетична енергія автомобіля не просто розсіюється у вигляді тепла. Натомість вона приводить у дію оборотний насос. Цей насос перекачує гідравлічну рідину з акумулятора низького тиску акумулятор високого тиску. У накопичувальному баку використовують азот для створення протитиску. У міру надходження рідини стискається газ. Автомобіль сповільнюється. Енергія виявляється замкненою у цьому стиснутому газі.
Збережіть її там.
Рідина знаходиться під тиском, доки ви знову не натиснете на газ. Потім насос змінює напрямок роботи. Він виштовхує рідину, використовуючи накопичену гідравлічну енергію для обертання коліс. Ви повертаєте кінетичну енергію, втрачену при гальмуванні, перетворюючи її назад на механічний рух для розгону.
Цифри переконливі. Ford та Eaton прогнозують, що ця система здатна зберігати 80 відсотків імпульсу, що втрачається при уповільненні. Це вище, ніж більшість сучасних електронних систем рекуперативного гальмування. Вона ефективна. І дуже ефективно.
Але ефективність не все. Поки що.
Проблема шуму та витоків
В даний час системи HPA існують переважно у вигляді демонстраційних прототипів та проектів-доказів. Вони ще не готові до використання у повсякденних автомобілях. Обладнання громіздке та галасливе. Воно схильне до витоків. Гідравлічні системи в русі – це “брудна” справа в порівнянні з чистою тишею електродвигунів.
То де вони мають сенс?
Вони найкраще підходять для міської їзди із постійним рухом «старт-стоп». Але що важливіше, вони призначені для важких вантажівок. Вантажопідйомністю від 10 000 фунтів (4536 кілограмів) і більше. Для цих масивних машин гідравлічні рекуперативні гальма пропонують оптимальне рішення, ніж системи з електронним управлінням. Величезна маса вимагає надійного захоплення енергії, і гідравліка справляється з цим навантаженням інакше, ніж батареї.
Модернізація та натурні випробування
Маленькі автомобілі? Не дуже. Акумулятори, необхідні для цієї системи, займають багато місця. У компактних автомобілях простір – це розкіш.
Компанія Hybrid-Drive Systems, LLC, що базується в Мічигані, все ж таки спробувала. Вони оснастили гідравлічною рекуперативною гальмівною установкою Volkswagen Beetle 1968 року. Система працює, але це тісне рішення. Плани щодо майбутнього серійного виробництва виключають Beetle. Вони дивляться на фургон. Найбільші автомобілі. Вищі класи ваги.
Екологічний аспект стимулює частину цього застосування. Агентство з охорони навколишнього середовища США (EPA) співпрацює з Eaton для встановлення цих гідравлічних систем на вантажівки доставки UPS. Маршрути “старт-стоп”. Важкі вантажі. Ідеальні умови повернення втраченого імпульсу.
Поки що це нішева технологія. Шумна. Втеча. Громіздка. Але для правильного застосування вона може бути єдиним способом повернути ці 80 відсотків вигоди.
Ефективність рекуперативного гальмування
Більшість звичайних транспортних засобів напрочуд неефективні. Лише близько 20 відсотків енергії, що міститься в паливі, фактично приводить автомобіль у рух. Інші 80 відсотків розсіюються у вигляді тепла, гублячись через тертя у двигуні, трансмісії та гальмах. Це величезний марнотратний процес.
Рекуперативне гальмування змінює цю картину. Воно дозволяє вловлювати до половини цієї енергії, що втрачається і повертати її в систему. Ця проста зміна знижує витрату палива на 10–25 відсотків. Якщо розглянути гідравлічні системи рекуперативного гальмування, виграш ще більш значний. Такі установки потенційно можуть скоротити витрати палива на 25–45 відсотків. Це не незначне виправлення. Це фундаментальне зрушення в тому, як ми використовуємо паливо.
Ми стоїмо на порозі постнафтогазової ери. Запаси, які забезпечували енергією наші автомобілі та промисловість упродовж сторіччя, виснажуються. Занепокоєння через викиди вуглекислого газу досягає піку. У цьому контексті кожен відсоток ефективності має значення.
Початок ХХІ сторіччя може стати останнім періодом, коли двигуни внутрішнього згоряння домінують на дорогах. Автовиробники змінюють курс. Вони роблять ставку на електричні акумулятори. Вони експериментують із водневим паливом. Дехто навіть розглядає варіант використання стисненого повітря. Рекуперативне гальмування є невеликим, але критично важливим елементом цієї великої головоломки.
Збільшення запасу ходу для електромобілів та гібридів
Ці гальма дозволяють електромобілям їхати довше без заряджання від мережі. Вони збільшують запас ходу повністю електричних автомобілів. Ця технологія допомогла створити такі машини як Tesla Roadster. Цей автомобіль працює виключно на батареях. Дорогою він не спалює ні краплі бензину.
Звісно, електрика може надходити від вугільної електростанції. Це все ще джерело на основі викопного палива. Але коли автомобіль рухається, він нічого не викидає в атмосферу. Це прогрес.
Гібриди також виграють від цього. Завдяки електричним двигунам та рекуперативним гальмам такі автомобілі проїжджають набагато більшу відстань на галоні бензину. Деякі з них показують витрати більше 50 миль на галон. Більшість водіїв цінують економію на заправці. Найменше фінансових втрат на заправці означає ширше прийняття нових технологій. Це робить перехід плавнішим.
Часті питання про рекуперативне гальмування
Що саме робить рекуперативне гальмування?
На гібридних або повністю електричних платформах ця система змінює правила гри, порівняно з традиційним тертям. Замість того, щоб кінетична енергія розсіювалася у вигляді марного тепла, вона вловлюється. Двигун змінює свою роль, стаючи генератором. Це перетворює механічний рух електричний струм, який зберігається у вигляді хімічної енергії у високовольтній батареї для подальшого використання.
Наскільки ефективно рекуперативне гальмування?
Не магія. Ефективність залежить від конкретної архітектури транспортного засобу та хімічного складу батареї. Хоча теоретичні межі різняться, практична ефективність становить близько 70%. Це хороше повернення інвестицій у відновлену енергію, але не ідеальний цикл.
Чи можуть електричні велосипеди заряджатися від педалювання?
Дехто може. Певні моделі електровелосипедів оснащені датчиками допомоги під час педалювання, які активують рекуперативний ефект, коли гонщик крутить педалі. Однак це не є універсальним правилом. Це сильно залежить від контролера двигуна та проведення конкретної моделі. Не варто припускати, що будь-який електровелосипед заряджається просто тому, що ви долаєте дистанцію.
Як максимізувати рекуперативне гальмування?
Перестаньте ставитись до педалі гальма як до основного елемента керування. Використовуйте її лише тоді, коли потрібна негайна зупинка. Натомість покладайтеся на функцію відновлення енергії транспортного засобу у фазах уповільнення. Що частіше ви відпускаєте педаль акселератора, дозволяючи трансмісії уповільнювати автомобіль, то більше енергії повертається в батареї. Йдеться про мінімізацію тертя та максимізацію потоку.
Який двигун чи компонент відповідає за рекуперативне гальмування?
Технічно це не лише сам двигун. Ключовим апаратним компонентом є одноступінчастий двонаправлений перетворювач постійного струму змінний (DC/AC). Він керує потоком електрики, дозволяючи енергії переміщатися від коліс назад до батареї, не викликаючи короткого замикання у системі.
Більше інформації
Статті HowStuffWorks по темі
-
Як працюють гальма
-
Як працюють дискові гальма
-
Як працюють барабанні гальма
-
Як працюють антиблокувальні гальма (ABS)
-
Як працюють пневматичні гальма
-
Як працюють підсилювачі гальм
-
Як працюють гальмівні колодки
-
Як працюють гальмівні диски
-
Як працюють гальмівні супорти
-
Як працюють гальмівні магістралі
Джерела
-
BrakeByWire.com. (13 січ. 2009) http://www.brakebywire.com/
-
Кантуелл, Кеті. “Огляд рекуперації”. Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 травня 2002 р. (13 січ. 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
-
Чен, Джейсон. «Panasonic створює електровелосипед із рекуперативним гальмуванням». Gizmodo. 7 липня 2008 р. (13 січ. 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
-
Continental Corporation. «ISAD та EHB роблять автомобілі більш економічними та екологічними». 17 березня 2002 р. (13 січ. 2009) http://www.conti-online.com/generator/www/com/en/continental/portal/themes/press_services/press_releases/products/automotive_systems/brakesystems/pr_2002_03_17_7
-
Гітлін, Джонатан М. “McLaren і Freescale об’єднують зусилля для рекуперативного гальмування”. Ars Technica. 5 лист. 2008 р. (13 січ. 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
-
HybridCars.com. “Гідравлічні гібриди”. 3 квіт. 2006 р. (13 січ. 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
-
Торренс, Річард. “Рекуперативне гальмування”. 4QD. листопад 2008 р. (13 січ. 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
-
Тур, Оккан та ін. «Застосування рекуперативного гальмування електромобілів як системи антиблокування гальм». Ansoft, LLC. 11 квіт. 2006 р. (13 січ. 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf
