Каждый раз, когда вы нажимаете на педаль тормоза, вы буквально выбрасываете деньги на ветер. Законы физики не позволяют энергии просто исчезать. Кинетическая энергия, движущая автомобиль вперед, должна куда-то деться при замедлении. В автомобиле с обычным двигателем внутреннего сгорания эта энергия рассеивается в виде тепла. Она нагревает тормозные диски. Она улетучивается в воздух. Бесполезно.
Можете ли вы, как водитель, остановить эту трату энергии? Не совсем. Торможение неизбежно. Вы не можете ехать, не замедляясь. Но автомобильные инженеры десятилетиями думали над этой проблемой. Они создали систему для возврата этой кинетической энергии. Она преобразует движение в электричество. Затем эта энергия возвращается в аккумулятор. Это и есть рекуперативное торможение.
Сегодня такие тормоза вы видите в основном в гибридах, таких как Toyota Prius. Они есть и в полностью электрических автомобилях, таких как Tesla Model S. Поддержание заряда аккумулятора имеет решающее значение для этих машин. Однако технология не нова. Она началась с трамваев. Сейчас она применяется и в электрических велосипедах. Даже гоночные автомобили Формулы-1 используют ее.
Зміст
Механика восстановления энергии
Обычные тормоза полагаются на трение. Тормозные колодки прижимаются к дискам. Колеса сопротивляются дорожному покрытию. Трение превращает кинетическую энергию в тепло. Рекуперативные тормоза работают иначе. Электродвигатель берет основную нагрузку на себя. Когда вы отпускаете педаль акселератора или слегка нажимаете на тормоз, двигатель меняет режим работы. Он действует как генератор. Он начинает вращаться в обратную сторону. Это замедляет колеса. Это также создает электричество. Энергия поступает в аккумуляторную батарею.
Система не идеальна. Она лучше всего работает на определенных скоростях. Режим «старт-стоп» является для нее идеальным. Торможение на высокой скорости по трассе по-прежнему требует использования обычных тормозов с трением. Они служат резервной системой. Они включаются, когда рекуперация не может остановить автомобиль достаточно быстро. Водители должны знать об этом. Ощущение от педали меняется. Она может уходить глубже, чем ожидается. Это глубокое нажатие может вызвать панику. Это кажется неправильным. Это просто другое.
Почему важна эффективность
Системы рекуперативного торможения улавливают энергию, которая в противном случае была бы потеряна. Это повышает общую эффективность. Гибридные и электрические автомобили зависят от этой эффективности. Это увеличивает запас хода. Это снижает износ тормозных колодок. Тормоза с трением служат дольше. Расходы на обслуживание снижаются. Но система — это не магия. У нее есть ограничения. Резкое торможение по-прежнему выделяет тепло. Переход между рекуперативным и обычным торможением может ощущаться рывками. Некоторым водителям это не нравится. Они хотят стабильного ощущения от традиционных колодок. Другие любят режим вождения на одной педали. Одна нога контролирует скорость и останавливает автомобиль.
Технология продолжает развиваться. Новые алгоритмы сглаживают переход. Более совершенные аккумуляторы накапливают больше восстановленной энергии. По мере того как электрические автомобили становятся более распространенными, понимание того, как они останавливаются, становится столь же важным, как и знание того, как они едут. Будущее торможения — это не только остановка. Это экономия энергии.
Как рекуперативное торможение восстанавливает энергию
Электродвигатели обладают двойственной природой. Если заставить их вращаться вперед, они преобразуют электричество в движение. Если заставить вращаться назад, они вырабатывают электричество. Эта обратимость лежит в основе рекуперативного торможения в гибридных автомобилях и электромобилях. Она превращает колеса в генераторы. Вместо того чтобы терять кинетическую энергию в виде тепла, система улавливает ее.
Процесс основан на инерции. Когда вы убираете ногу с педали акселератора, движение автомобиля вперед заставляет двигатель вращаться в обратном направлении. Двигатель сопротивляется этому движению. Это сопротивление замедляет автомобиль. Одновременно он вырабатывает электричество. Этот ток поступает обратно в аккумуляторную батарею. Сохраненная энергия может увеличить запас хода. Она также может помочь автомобилю снова ускориться позже.
Электроника, стоящая за торможением
Просто так взять и реверсировать двигатель, чтобы он работал, нельзя. Электроника сложна. Специализированные схемы определяют точный момент переключения режимов. Они направляют вырабатываемую мощность в батареи. В некоторых конструкциях конденсаторы накапливают эту энергию для быстрых всплесков мощности.
В большинстве автомобилей по-прежнему используются традиционные фрикционные тормоза. Система должна выбирать между рекуперацией и тормозными колодками. Это решает компьютер. Он балансирует эффективность и безопасность. Он определяет, какая система подходит в данный конкретный момент.
Рекуперативное торможение преобразует механическую энергию в электрическую, возвращая ее в систему зарядки автомобиля.
Водители часто имеют контроль над этим поведением. Многие автомобили предлагают предустановки. Вы можете выбрать, насколько агрессивно активируется рекуперация. Некоторые автомобили начинают тормозить сразу, как только вы убираете ногу с педали. Другие катятся более естественно. Это позволяет настроить ощущение от вождения. Вы можете решить, останавливается ли автомобиль полностью или катится до полной остановки.
Будущее торможения по проводам
Индустрия движется к системам торможения по проводам (brake-by-wire). Традиционные механические связи заменяются электронным управлением. Гибридные и электрические автомобили, вероятно, станут лидерами этого внедрения. Сложность требует различных схемных решений от разных инженеров. Но один компонент остается центральным для всех них.
Контроллер торможения является наиболее важной частью. Он управляет всем процессом. Он обеспечивает реверс двигателя в нужное время. Он направляет мощность в нужное место. Он взаимодействует с традиционными тормозами. Без него рекуперативное торможение остается лишь теоретической концепцией.
Контроллеры рекуперативного торможения
Контроллеры тормозов — это электронные «мозговые центры». Они определяют момент начала торможения и скорость нарастания давления. В ситуациях буксировки они синхронизируют тормоза прицепа с тормозной системой буксирующего транспортного средства. Без них вы действуете наугад. С ними обеспечивается координация.
Системы рекуперативного торможения не работают изолированно. Они тесно взаимодействуют с антиблокировочной системой тормозов (ABS). Контроллер рекуперативного торможения зеркально отражает логику работы ABS. Он отслеживает скорость вращения колес. Он контролирует разницу скоростей между колесами. Если одно колесо замедляется быстрее другого, система реагирует.
Однако в гибридных и электромобилях задача контроллера становится сложнее. Контроллер рассчитывает доступный крутящий момент. Крутящий момент — это вращающая сила. Он измеряет, сколько механической энергии можно преобразовать в электрическую. Эта электрическая энергия возвращается в аккумуляторную батарею или суперконденсаторы.
Контроллер управляет зарядом. Он гарантирует, что батареи получают оптимальное количество энергии. Он также предотвращает перегрузку. Ни одна батарея не любит получать ток больше, чем она может безопасно поглотить. Контроллер действует как страж.
Контроллер тормозов определяет, способен ли двигатель выдержать тормозное усилие. Если нет, вступают в действие тормоза трения.
Самая важная функция? Принятие решений. Способен ли электрический двигатель остановить автомобиль прямо сейчас? Иногда — да. Часто — нет. Условия меняются. Состояние заряда батареи колеблется. Температура падает.
Если двигатель не имеет достаточной мощности, контроллер передает управление. Он переключается на тормоза трения. Это предотвращает катастрофу. Это гарантирует остановку, когда это необходимо, независимо от электронных ограничений.
В гибридных и электромобилях ни один другой электронный компонент не делает возможным рекуперативное торможение. Контроллер тормозов является ключевым звеном. Он балансирует между восстановлением энергии и безопасностью транспортного средства. Он превращает кинетическую энергию в запасенную мощность. И когда эту энергию невозможно накопить, он задействует тормозные колодки и диски, чтобы остановить автомобиль.
Рекуперативное торможение в гибридных автомобилях
Эта интеграция создает бесшовный цикл. Водитель нажимает на педаль. Контроллер оценивает способность двигателя к рекуперации. Он соответственно регулирует уровень рекуперации. Результатом является более плавное замедление. Это ощущается естественно. Это не магия. Это просто точное электронное управление двумя совершенно разными системами торможения, работающими как одно целое.
Грязный секрет гибрида: тревога за зарядку
Вы думаете, что спасаете планету, управляя гибридом. На самом деле, нет.
Гибридные электромобили (HEV) — это компромисс. Они сочетают двигатель внутреннего сгорания с электромотором, обеспечивая запас хода бензобака и эффективность батареи. Но вот в чем подвох: батарея должна оставаться заряженной. Если она разрядится, автомобиль превратится в еще одну тяжелую металлическую коробку, сжигающую ископаемое топливо. И в отличие от подключаемых гибридов или полностью электрических автомобилей, обычные гибриды практически не имеют места для подключения зарядки. Нет зарядной станции. Нет розетки. Только вы, бензоколонка и надежда на то, что ваш стиль вождения достаточно экономичен.
Это создает парадокс. Инженеры тратят миллионы на аэродинамическую форму и легкие материалы, чтобы выжать каждую милю на галлон топлива. Они полагаются на рекуперативное торможение, чтобы улавливать энергию, которая иначе терялась бы в виде тепла. Но в традиционном гибриде эта захваченная электричество помогает только электромотору. Бензиновый двигатель ничего не получает. Он не выигрывает. Он просто ждет, пока уровень заряда батареи упадет слишком низко, чтобы взять управление на себя.
Именно на дальних поездках иллюзия разрушается. Вы не можете зарядиться на шоссе. Вы вынуждены работать на двигателе. «Гибридное» преимущество испаряется. Вы просто едете на автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, к шасси которого прикреплена тяжелая, ненужная батарея.
Так как же исправить систему, которую нельзя подключить к розетке? Как сделать тормозную энергию полезной для основного двигателя?
На сцену выходит гидравлическая альтернатива.
Гидравлическое рекуперативное торможение
Традиционное рекуперативное торможение отправляет электричество в батарею. Гидравлические системы выбирают другой путь. Они хранят энергию в виде сжатой жидкости, а не электронов.
Почему это имеет значение?
Потому что гидравлические тормоза могут возвращать энергию обратно в саму гидравлическую тормозную систему. Речь идет не только об экономии электричества для мотора. Речь идет о поддержании давления в системе. Это снижает нагрузку на двигатель, когда ему нужно перекачивать жидкости. Создается замкнутый контур, который не зависит от состояния заряда батареи таким жестким образом.
Это механическое решение электрической проблемы.
Большинство гибридов используют электромоторы, потому что эта технология зрелая. Батареи дешевы (относительно). Моторы эффективны. Но они тяжелые. Они деградируют со временем. Им нужны системы охлаждения. Гидравлический аккумулятор проще. Меньше движущихся частей. Меньше проблем с терморегуляцией.
Но это не является мейнстримом. Почему?
Потому что автомобильная индустрия одержима электричеством. Каждый новый автомобиль позиционируется как шаг к полной электрификации. Гидравлические системы выглядят как шаг назад. Реликвия. Они не вписываются в нарратив «цифрового» автомобиля. У них нет экранов. У них нет обновлений «по воздуху» (OTA).
Тем не менее, для автомобиля, который никогда нельзя подключить к розетке, они могут быть единственным логичным выбором.
Представьте себе гибрид, который не боится разрядки батареи. Представьте систему, где каждая остановка добавляет давление, а не только заряд. Где тормозное усилие помогает двигателю «дышать» легче.
Речь не о замене батареи. Речь о резервировании. Речь о том, чтобы не класть все яйца в электрохимическую корзину.
Индустрия занята созданием все более крупных батарей для автомобилей, которые можно заряжать от розетки. Они игнорируют миллионы водителей, которые не могут или не хотят этого делать. Или живут в квартирах без розеток. Для них гидравлический гибрид — это не реликвия. Это спасательный круг.
Заботится ли об этом рынок?
Ford и Eaton делают ставку на гидродинамику вместо электричества. Они разработали систему Hydraulic Power Assist (HPA) — рекуперативную тормозную систему, которая заменяет высоковольтные кабели линиями высокого давления. Это совершенно иная технология.
Вот как работает физика процесса. Когда вы отпускаете педаль акселератора и нажимаете на тормоз, кинетическая энергия автомобиля не просто рассеивается в виде тепла. Вместо этого она приводит в действие обратимый насос. Этот насос перекачивает гидравлическую жидкость из аккумулятора низкого давления в аккумулятор высокого давления. В накопительном баке используется азот для создания противодавления. По мере поступления жидкости газ сжимается. Автомобиль замедляется. Энергия оказывается запертой в этом сжатом газе.
Сохраните её там.
Жидкость находится под давлением до тех пор, пока вы снова не нажмете на газ. Затем насос меняет направление работы. Он выталкивает жидкость, используя накопленную гидравлическую энергию для вращения колес. Вы возвращаете кинетическую энергию, потерянную при торможении, преобразуя её обратно в механическое движение для разгона.
Цифры убедительны. Ford и Eaton прогнозируют, что эта система способна сохранять 80 процентов импульса, теряемого при замедлении. Это выше, чем у большинства современных электронных систем рекуперативного торможения. Она эффективна. И очень эффективно.
Но эффективность — не всё. Пока что.
Проблема шума и утечек
В настоящее время системы HPA существуют в основном в виде демонстрационных прототипов и проектов-доказательств. Они еще не готовы для использования в повседневных автомобилях. Оборудование громоздкое и шумное. Оно склонно к утечкам. Гидравлические системы в движении — это «грязное» дело по сравнению с чистой тишиной электродвигателей.
Так где они имеют смысл?
Они лучше всего подходят для городской езды с постоянным движением «старт-стоп». Но что еще важнее, они предназначены для тяжелых грузовиков. Грузоподъемностью от 10 000 фунтов (4 536 килограммов) и более. Для этих массивных машин гидравлические рекуперативные тормоза предлагают более оптимальное решение, чем системы с электронным управлением. Огромная масса требует надежного захвата энергии, и гидравлика справляется с этой нагрузкой иначе, чем батареи.
Модернизация и натурные испытания
Маленькие автомобили? Не очень. Аккумуляторы, необходимые для этой системы, занимают много места. В компактных автомобилях пространство — это роскошь.
Компания Hybrid-Drive Systems, LLC, базирующаяся в Мичигане, все же попробовала. Они оснастили гидравлической рекуперативной тормозной установкой Volkswagen Beetle 1968 года. Система работает, но это тесное решение. Планы по будущему серийному производству исключают Beetle. Они смотрят на фургон. Более крупные автомобили. Более высокие классы веса.
Экологический аспект стимулирует часть этого внедрения. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) сотрудничает с Eaton для установки этих гидравлических систем на грузовики доставки UPS. Маршруты «старт-стоп». Тяжелые грузы. Идеальные условия для возвращения потерянного импульса.
Пока это нишевая технология. Шумная. Утечащая. Громоздкая. Но для правильного применения она может быть единственным способом вернуть эти 80 процентов выгоды.
Эффективность рекуперативного торможения
Большинство обычных транспортных средств удивительно неэффективны. Лишь около 20 процентов энергии, содержащейся в топливе, фактически приводит автомобиль в движение. Остальные 80 процентов рассеиваются в виде тепла, теряясь из-за трения в двигателе, трансмиссии и тормозах. Это огромный расточительный процесс.
Рекуперативное торможение меняет эту картину. Оно позволяет улавливать до половины этой теряемой энергии и возвращать её в систему. Это простое изменение снижает расход топлива на 10–25 процентов. Если рассмотреть гидравлические системы рекуперативного торможения, то выигрыш ещё более значителен. Такие установки потенциально могут сократить расход топлива на 25–45 процентов. Это не незначительная поправка. Это фундаментальный сдвиг в том, как мы используем топливо.
Мы стоим на пороге постнефтегазовой эры. Запасы, которые обеспечивали энергией наши автомобили и промышленность на протяжении столетия, истощаются. Беспокойство из-за выбросов углекислого газа достигает пика. В этом контексте каждый процент эффективности имеет значение.
Начало XXI века может стать последним периодом, когда двигатели внутреннего сгорания доминируют на дорогах. Автопроизводители уже меняют курс. Они делают ставку на электрические аккумуляторы. Они экспериментируют с водородным топливом. Некоторые даже рассматривают вариант использования сжатого воздуха. Рекуперативное торможение — это небольшой, но критически важный элемент этой большой головоломки.
Увеличение запаса хода для электромобилей и гибридов
Эти тормоза позволяют электромобилям ехать дольше без подзарядки от сети. Они увеличивают запас хода полностью электрических автомобилей. Эта технология помогла создать такие машины, как Tesla Roadster. Этот автомобиль работает исключительно на батарейках. В дороге он не сжигает ни капли бензина.
Конечно, электричество может поступать от угольной электростанции. Это всё ещё источник на основе ископаемого топлива. Но когда автомобиль движется, он не выбрасывает ничего в атмосферу. Это прогресс.
Гибриды также выигрывают от этого. Благодаря электрическим двигателям и рекуперативным тормозам такие автомобили проезжают гораздо большее расстояние на галлоне бензина. Некоторые из них показывают расход более 50 миль на галлон. Большинство водителей ценят экономию на заправке. Меньше финансовых потерь на заправке означает более широкое принятие новых технологий. Это делает переход более плавным.
Часто задаваемые вопросы о рекуперативном торможении
Что именно делает рекуперативное торможение?
На гибридных или полностью электрических платформах эта система меняет правила игры по сравнению с традиционным трением. Вместо того чтобы кинетическая энергия рассеивалась в виде бесполезного тепла, она улавливается. Мотор меняет свою роль, становясь генератором. Это преобразует механическое движение в электрический ток, который сохраняется в виде химической энергии в высоковольтной батарее для последующего использования.
Насколько эффективно рекуперативное торможение?
Это не магия. Эффективность полностью зависит от конкретной архитектуры транспортного средства и химического состава батареи. Хотя теоретические пределы различаются, практическая эффективность составляет около 70%. Это хороший возврат инвестиций в восстановленную энергию, но не идеальный цикл.
Могут ли электрические велосипеды заряжаться от педалирования?
Некоторые могут. Определенные модели электровелосипедов оснащены датчиками помощи при педалировании, которые активируют рекуперативный эффект, когда гонщик крутит педали. Однако это не является универсальным правилом. Это сильно зависит от контроллера двигателя и проводки конкретной модели. Не стоит предполагать, что любой электровелосипед заряжается просто потому, что вы преодолеваете дистанцию.
Как максимизировать рекуперативное торможение?
Перестаньте относиться к педали тормоза как к основному элементу управления. Используйте ее только тогда, когда требуется немедленная остановка. Вместо этого полагайтесь на функцию восстановления энергии транспортного средства в фазах замедления. Чем чаще вы отпускаете педаль акселератора, позволяя трансмиссии замедлять автомобиль, тем больше энергии возвращается в батареи. Речь идет о минимизации трения и максимизации потока.
Какой двигатель или компонент отвечает за рекуперативное торможение?
Технически это не только сам двигатель. Ключевым аппаратным компонентом является одноступенчатый двунаправленный преобразователь постоянного тока в переменный (DC/AC). Он управляет потоком электричества, позволяя энергии перемещаться от колес обратно к батарее, не вызывая короткого замыкания в системе.
Больше информации
Статьи HowStuffWorks по теме
-
Как работают тормоза
-
Как работают дисковые тормоза
-
Как работают барабанные тормоза
-
Как работают антиблокировочные тормоза (ABS)
-
Как работают пневматические тормоза
-
Как работают усилители тормозов
-
Как работают тормозные колодки
-
Как работают тормозные диски
-
Как работают тормозные суппорты
-
Как работают тормозные магистрали
Источники
-
BrakeByWire.com. (13 янв. 2009) http://www.brakebywire.com/
-
Кантуэлл, Кэти. «Обзор рекуперации». Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 мая 2002 г. (13 янв. 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
-
Чен, Джейсон. «Panasonic создает электровелосипед с рекуперативным торможением». Gizmodo. 7 июля 2008 г. (13 янв. 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
-
Continental Corporation. «ISAD и EHB делают автомобили более экономичными и экологичными». 17 марта 2002 г. (13 янв. 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_en.html
-
Гитлин, Джонатан М. «McLaren и Freescale объединяют усилия для рекуперативного торможения». Ars Technica. 5 нояб. 2008 г. (13 янв. 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
-
HybridCars.com. «Гидравлические гибриды». 3 апр. 2006 г. (13 янв. 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
-
Торренс, Ричард. «Рекуперативное торможение». 4QD. ноябрь 2008 г. (13 янв. 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
-
Тур, Оккан и др. «Применение рекуперативного торможения электромобилей как системы антиблокировки тормозов». Ansoft, LLC. 11 апр. 2006 г. (13 янв. 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf
