Эффективность
Здесь все куда интереснее. Эффективность рекуперативного торможения — это показатель того, насколько система способна увеличить запас хода транспортного средства.
Как вы, наверное, уже догадались, показатель значительно варьируется в зависимости от факторов, включая условия движения, местность и размер транспортного средства.
Немалое влияние оказывают условия вождения. Вы увидите значительно лучшую отдачу в городе, где приходится многократно сбрасывать скорость на светофорах или в пробках, чем на шоссе. Ландшафт также играет весомую роль. Подъем в гору не дает вам много шансов на остановку, а вот при спуске для безопасности часто нужно притормаживать, что позволит преобразовать больший объем кинетических запасов. На длинных склонах рекуперативная система может применяться почти без остановок, чтобы регулировать скорость, тем самым заряжая аккумулятор в течении продолжительного промежутка.
Размер транспортного средства может быть самым значительным фактором для данного показателя по той простой причине, что более тяжелые тела содержат в себе гораздо больший импульс и кинетическую энергию. Подобно тому, как большой маховик является более эффективным, четырехколесный автомобиль имеет куда больше кинетической энергии при движении, чем мотоцикл или самокат.
Эффективность системы регенерации в автомобилях
Данные для сравнения могут быть несколько сложными. Машины Tesla выдают мощность рекуперативного торможения в 60 кВт при жесткой остановке, но это не отвечает на более интересный вопрос. Мы хотим знать, сколько энергии мы регенерируем во время поездки, а не насколько сильны наши тормоза каждый раз, когда мы месим педаль.
Для небольших электрических транспортных средств цифры не столь оптимистичны. На многих велосипедах с функцией рекуперативного торможения средним показателем является 4-5% регенерации, максимум 8% в холмистых районах. Другие персональные электромобили, включая самокаты и скейтборды, имеют схожие результаты.
Как мы писали выше, столь небольшие цифры во многом связаны с меньшим весом данных средств. У них просто нет большого импульса и, следовательно, они имеют меньшую кинетическую энергию для преобразования обратно аккумулятор.
А это вообще важно, насколько хорошо работают рекуперативные тормоза?
В индустрии электрических велосипедов регенеративное торможение иногда может использоваться скорее как маркетинговый инструмент, чем как целесообразное нововведение. Поскольку технология, как правило, возможна только в электрических байках с более крупными безредукторными двигателями, то производители таких велосипедов будут обязательно использовать столь эффективную разработку в своих моделях. В то же время компании, выпускающие байки со среднеразмерными приводами и другими редукторными моторами, которые не приспособлены к регенеративному торможению, относят технологию в разряд неэффективных и просто не ставят.
Истина заключается в том, что для небольших и персональных транспортных средств рекуперация не так эффективна, как в крупных электромобилях, однако эта функция все равно имеет множество преимуществ.
Рекуперация также позволяет внести механизм остановки в скейтборды — подвиг, который ранее выполнялся через трение подошвы вашей обуви о тротуар. Данная функция является очень полезной для безопасности в связи с появлением популярных моделей, достигающих скоростей более 30 км/ч.
Еще одним преимуществом регенеративного торможения является продление срока службы обычным тормозным деталям, таким как кабели и тормозные колодки. Постоянное обслуживание и замена данных частей раздражает, а если учесть, что электрические велосипеды и самокаты путешествуют намного дальше и быстрее, чем их не электрические братья, то детали изнашиваются намного раньше.
В конце концов, регенеративное торможение никогда не будет столь полезным в небольших средствах передвижения, как в крупных, просто из-за законов физики. Поэтому отсутствие технологии на электрических велосипедах и других малых EV для личного пользования не есть что-то ужасное. Однако преимущества использования этой разработки, без учета простого перехвата мощностей, нельзя игнорировать. И эй, вы будете получать бесплатный 5%-ный рост диапазона каждый день!
Система рекуперации энергии торможения (KERS)
Система рекуперативного торможения или система рекуперации кинетической энергии KERS (Kinetic Energy Recovery System) впервые была разработана и внедрена на гоночные болиды «Формулы-1».
Основной задачей её внедрения было улучшение динамических характеристик болида при разгоне и торможении (притормаживании) с последующим набором скорости. На начальном этапе разработки системы стоимость работ зашкаливала и многие команды «Формулы-1», не смотря на свой солидный бюджет, были вынуждены отказаться от неё.
Однако уже появившаяся на свет относительно «сырая» конструкция заинтересовала разработчиков автомобилей по всему миру. Разработчики увидели в системе рекуперации KERS большой потенциал в области использования кинетической энергии выделяемой при торможении. Ранее эта энергия преобразовывалась в тепловую, посредством трения тормозных механизмов и выбрасывалась в атмосферу.
С этого момента появилась задача — приспособить систему рекуперации KERS для работы на различных модификациях гибридных автомобилей и максимально снизить стоимость конструкции для массового использования.
Основное преимущество системы рекуперации KERS — это использование кинетической энергии, появляющейся в процессе торможения. В зависимости от типа транспортного средства возможны различные варианты применения этой энергии.
В настоящее время разработаны различные вариации системы рекуперации KERS. Основными являются:
- механическая (кинетическая энергия при торможении накапливается и в последующем распределяется механическим способом);
- электрическая (кинетическая энергия при торможении преобразуется в электрическую посредством электродвигателя, работающего в режиме «генератора» и сохраняется в накопителе электрической энергии).
Принцип работы механической системы KERS доступно показан на видео-модели:
Необходимо принимать во внимание, что механическая система рекуперации KERS гоночного болида «Формулы-1» и механическая система рекуперации KERS обычного легкового автомобиля — это две принципиально разные конструкции по своему исполнению. Второй вариант исполнения механической системы разрабатывает компания Volvo:. https://ecoconceptcars.ru/2011/08/mexanicheskaya-sistema-kers-ot-volvo.html
https://ecoconceptcars.ru/2011/08/mexanicheskaya-sistema-kers-ot-volvo.html
На видео-материалах отчетливо представлено в каких режимах работает система рекуперации. Варианты накопления энергии механическим способом могут быть различными, но принцип один – накопить при торможении и отдать при старте.
Принцип работы электрической системы рекуперации KERS показан на ресурсе и видео-модели Toyota Hybrid System :
https://systemsauto.ru/brake/regenerative_braking.html
Такой вариант исполнения применяется в основном на гибридных моделях автотранспорта. При торможении гибридного автомобиля система обеспечивает работу тягового электродвигателя в режиме «генератора» — идет процесс отдачи энергии в бортовую сеть и заряд накопителей энергии автомобиля. Подобным образом подзаряжаются накопители энергии электромобилей.
В спортивных болидах система KERS устроена следующим образом:
механическая
электрическая
https://www.youtube.com/watch?v=-yE3khtKZGg.
В качестве промежуточного результата адаптации системы рекуперации KERS на обычные автомобили, можно привести технологию i-ELOOP от компании Mazda:
https://www.carexpert.ru/testdrive/mazda/mazd6_2012/mazd6a970.htm (раздел «Суперконденсатор»).
Ссылки:
https://icarbio.ru/articles/kers.html
https://www.popmech.ru/article/6541-bolshaya-krasnaya-knopka/
Рекуперация и дать, и взять журнал За рулем
16 февраля 2011 годаЕще до появления легковых гибридов рекуперативное торможение широко применяли в многотонной колесной и рельсовой технике, работающей на электрической тяге. Например, троллейбусы, трамваи, электропоезда передают вырабатываемое при торможении в контактную сеть электричество, которое потом можно повторно использовать.
Еще до появления легковых гибридов рекуперативное торможение широко применяли в многотонной колесной и рельсовой технике, работающей на электрической тяге. Например, троллейбусы, трамваи, электропоезда передают вырабатываемое при торможении в контактную сеть электричество, которое потом можно повторно использовать.
Термин «рекуперация» произошел от латинского recuperatio (обратное получение) и означает возвращение некоего количества вещества или энергии для последующего использования в том же технологическом процессе.
Например, существует рекуперация тепла в системах вентиляции, когда удаляемый из помещения воздух подогревает поток, нагнетаемый внутрь. Или рекуперация драгоценных камней или металлов, которые извлекают из отработавших ресурс инструментов, восстанавливают и вновь пускают в производство. В транспортных же машинах, в том числе в автомобилях, часто встречается рекуперация электрической энергии.
Как оно работает
Самый простой пример конструкции, позволяющей возвращать энергию, — умный генератор. При интенсивном разгоне он отключается, чтобы разгрузить двигатель, — следовательно, уменьшается расход топлива и количество вредных выбросов. Потребители электричества в это время вытягивают энергию из аккумулятора. Водитель убирает ногу с педали газа — генератор вновь подключается и пополняет заряд батареи, а автомобиль экономит до 3% горючего.
Направление потоков энергии при рекуперации. При разгоне электричество поступает из батареи в электродвигатель, где преобразуется в механическую энергию для вращения колес.Направление потоков энергии при рекуперации. При разгоне электричество поступает из батареи в электродвигатель, где преобразуется в механическую энергию для вращения колес.
Еще больше пользы приносит рекуперация в гибридных и электрических моделях. Тут электромотор выполняет две функции — движущей силы и генератора. Разгоняя автомобиль, он потребляет электричество, а при замедлении преобразует механическую энергию в электрическую.
Стоит отпустить педаль акселератора, как электроны начинают двигаться в обратную сторону — и батарея заряжается.
При торможении колеса раскручивают электромотор, тот переходит в режим генератора и отдает электроэнергию обратно в батарею.При торможении колеса раскручивают электромотор, тот переходит в режим генератора и отдает электроэнергию обратно в батарею.
Бессменная гидравлика, приводящая в действие колесные механизмы, работает обычно при интенсивном замедлении, а при плавном (до 0,2–0,3g) используется так называемое рекуперативное торможение. Электродвигатель переходит в режим генератора, обмотки статора отдают ток в аккумуляторную батарею, что создает тормозной момент, заставляющий автомобиль останавливаться.
Чем сильнее водитель давит на тормоз, тем выше противодействующий момент — и тем интенсивнее автомобиль замедляется, а электромотор заряжает батареи. Таким образом, рекуперация позволяет не только экономить топливо (примерно 5–10%), но и в полтора-два раза реже менять тормозные колодки.
Повышенная энергоотдача в батарею происходит и в случае, если селектор режимов движения переведен в положение B (Brake). При этом автомобиль лучше тормозит двигателем, поэтому на горной дороге быстрее пополнится запас электричества в аккумуляторах, а тормозные диски и колодки не перегреются.
Использование
Принцип рекуперации пытаются использовать в автомобилях Формулы 1: редкий случай, когда технологию опробовали на серийных машинах, а потом предложили королеве автоспорта.
Правда, конструкции так называемого KERS (Kinetic Energy Recovery System — система возврата кинетической энергии) здесь более изощренные. Большинство команд используют электрическую рекуперацию.
Обкатав KERS на формулах, Ferrari примерила систему рекуперации на дорожный автомобиль.
https://youtube.com/watch?v=a6d-53egK1k
На базе купе 599 GTB Fiorano появился первый в истории Ferrari гибрид 599 GTB HY-KERS. Шестилитровому бензиновому двигателю на разгоне помогает 74-киловаттный электромотор, вырабатывающий энергию при торможении и позволяющий проехать на электротяге до 5 км.
Рекуперация: и дать, и взятьРекуперация: и дать, и взятьОшибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter
Oh no, there’s been an error
Наличие большого количества сильных магнитов в двигателе прямого привода и отсутствие обгонной муфты приводит к тому, что двигатель существенно подтормаживает колесо велосипеда даже при отсутствии питания. А при работе двигателя в режиме генератора это торможение можно сравнить с движением в достаточно крутую гору. Причем скорость движения при этом должна быть около 20 км/час. При скорости 20 км/час зарядный ток аккумулятора будет около 2 ампер. (При таком токе аккумулятор емкостью 10 A/час зарядится за 5 часов.) Велосипедист при этом должен развивать мощность 2A*48В= 96 Вт. Однако здесь не учтены потери в системе преобразования энергии и потери при зарядке. А они составляют около 50%. Другими словами – велосипедисту необходимо развить мощность для зарядки аккумулятора в два раза большую – приблизительно 180 Вт. Следует также учесть, что для движения с такой скоростью на обычном велосипеде велосипедист должен отдавать мощность около 100 Вт. Суммарная мощность, требуемая от велосипедиста, для зарядки аккумулятора и само передвижение со скоростью, по крайней мере, в 20 км/час составит около 180+100=280 Вт. Для справки: — хороший спортсмен велосипедист может отдавать кратковременно, мощность 500-600 Вт; — при движении в гору с большим уклоном нетренированный человек может кратковременно отдавать мощность 220-290 Вт; Нетрудно сделать вывод, что ехать на велосипеде в таком режиме, сколько ни будь продолжительное время нереально.
Недаром практически на все электровелосипеды заводского изготовления устанавливают не двигатели прямого привода способные работать в генераторном режиме, а двигатели с редуктором и обгонной муфтой. И это неспроста. Если сравнивать экономичность этих двух двигателей, то можно увидеть, что редукторные двигатели более чем на 30% экономнее расходуют энергию, запасенную в аккумуляторной батарее, чем двигатели прямого привода, и они не тормозят движение при отсутствии питания. Ко всему, редукторные двигатели в два раза легче – если сравнивать двигатели с эквивалентным вращающим моментом. По этой причине почти на всех серийно изготавливаемых электровелосипедах устанавливают только редукторные двигатели. Сравните: — используя двигатель прямого привода и систему рекуперации, вы можете вернуть в батарею максимум 5% энергии, а если будете использовать редукторный двигатель, то сможете, сэкономить 30% энергии запасенной в батарее, другими словами проехать расстояние на 30% больше, чем на двигателе прямого привода. И ваш велосипед будет существенно легче. Выбор как говорится очевиден. Применив в качестве движущей силы на велосипеде мотор-колесо с редукторным двигателем идею рекуперации энергии на электровелосипеде можно успешно забыть, выиграв при этом около 30% пробега на одной зарядке.
Двигатели прямого привода логично применять, если Ваша цель скорость и Вас не сильно волнует экономическая сторона вопроса. В таком случае этому двигателю не будет конкурента со стороны редукторного собрата. Если необходима скорость более 50 км/час, приготовьтесь взять двигатель мощностью 1000 – 1500 Вт (максимальная мощность 1500-2500 Вт) в комплекте с энергоемкой , тяжелой и дорогостоящей аккумуляторной батареей. Батарея должна быть рассчитана на номинальный разрядный ток 20-30 A. Велосипед будет очень тяжелым. Это будет уже не велосипед. Это уже скорее скутер.
Советуем изучить Получение и расчет биогаза
Насколько реально эффективна рекуперация?
Здесь имеет место зависимость от целого ряда факторов: вида и габаритов средства передвижения, электрического силового агрегата, аккумуляторов, условий передвижения, местности, а также стиля вождения. Ландшафт весьма влияет на полученное количество «халявной» энергии: если вы постоянно будете ехать по прямым дорогам без поворотов, то на возврат энергии можно и не надеяться, а вот что касается извилистых дорог или продолжительных склонов, то система получает возможность показать себя во всей красе.
Эффективность работы рекуперации в условиях города
Отдельно стоит обсудить и эффективность рекуперации при эксплуатации электротранспорта в условиях города. В этом случае кстати, ситуация весьма интересная вырисовывается. Сами разработчики позиционируют свою систему, как нацеленную в первую очередь на эксплуатацию электрокара в городе, когда водитель часто ускоряется и также часто тормозит. А как обстоят дела на самом деле? К сожалению, всё не так радужно!
Возьмём за пример электрокар Tesla Model S, который предлагает своим обладателям превосходные динамические характеристики. Так вот, даже он, особенно при движении в плотном транспортном потоке, не имеет возможности разогнаться надлежащим образом. Что из этого следует? А то, что система при таких условиях практически не даёт положительной прибавки, так как скорость до начала замедления не успевает перевалить за отметку 60 км/ч, поэтому и запас пробега увеличится в незначительной степени.
Зависимость эффективности рекуперации от массы средства передвижения
Огромнейшее влияние на возврат энергии оказывает масса транспортного средства: чем оно увесистей, тем больше будет высвобождаться кинетической энергии при торможении, поэтому становится понятно, что негабаритные средства передвижения на электротяге проигрывают «тяжёловесам». Вывод из всего этого прост: чем тяжелее электрокар, тем больше себя будет оправдывать рекуперация. Это можно наблюдать в вышеприведённом примере с Теслой, масса которой колеблется в пределах 1886-2175 кг, естественно, это не так много, чтобы рассчитывать на выдающийся результат при движении в тех же городских условиях.
Однако в целом, показатель доходит до 60-70%. Если верить словам отдельных разработчиков электромобилей, системы рекуперации утрачивают 10-20% от полученной энергии, а после, теряют ещё столько же в процессе преобразования этой энергии в заряд для АКБ. Такие цифры являются типичными для большинства электромашин.
Тут стоит отметить, что семидесяти процентный выигрыш ни в коем случае не даёт увеличение пробега на одном заряде, к примеру с 200 км до 340 км. На самом деле, это означает только то, что 70% кинетической энергии растраченной при замедлении, может быть возвращено обратно.
Применение рекуперации в транспорте
При работе электротранспорта происходит рекуперация энергии электрического тока. Для каждого из видов транспорта существуют свои конструктивные нюансы.
В электромобилях и электровелосипедах
Электровелосипед, как и частный электромобиль, хотя и оснащен такой системой обратного возврата электроэнергии на аккумулятор, обладает низким КПД. Электропривод этих средств передвижения потребляет энергию при движении. Поскольку режим торможения очень редок и кратковременен, то доля возвращённого электричества мала. С её помощью лишь увеличивают расстояние пробега на одной зарядке АКБ.
На железной дороге
Тяговые двигатели электровозов при рекуперации переходят в режим генерирования электроэнергии, которая снова возвращается в сеть.
Важно! Применение в системе рекуперации ШИМ-контроллера взамен контакторов позволяет вернуть энергию в любую сеть: постоянного или переменного тока. Контроллер работает в двух режимах. При движении он выпрямляет ток, при торможении, определив частоту и фазу сети, – отдаёт электричество
При движении он выпрямляет ток, при торможении, определив частоту и фазу сети, – отдаёт электричество.
В метро
При рекуперации электроэнергии в подземке правильно подобранный график движения поездов даёт значительную экономию. Чередование разгона и торможения поезда можно синхронизировать с несколькими составами на разных ветках и возвращать энергию в сеть по максимуму.
В городском общественном транспорте
Все модели троллейбусов и трамваев снабжены подобной системой торможения и возврата энергии. Существует ограничение по нижней границе скорости торможения. Она составляет 1-2 км/ч. Далее в работу вступают стояночные механические тормоза.
В Формуле-1
В 2014 году регламент Формулы-1 подразумевал переход на турбо моторы с системой (ERS). Это двойная рекуперация, в результате которой используют и кинетическую при торможении, и тепловую энергию выхлопа. При этом используют модули ERS-K и ERS-H. В систему включены два дополнительных генератора: MGU-K и MGU-H. Буквой К и Н маркируют кинетическую и тепловую энергию, соответственно.
Что такое рекуперация тепла
Рекуперация тепла или обратное получение тепла – это процесс теплообмена, при котором тепло забирается от вытягиваемого выбрасываемого воздуха и передается свежему нагнетаемому воздуху, который нагревается. Процесс проходит в рекуперационном теплообменнике таким образом, что выбрасываемый и свежий воздух абсолютно отделены друг от друга, чтобы не произошло их смешивание.
В охлаждаемых помещениях можно использовать рекуперационные теплообменники также обратным способом, то есть для рекуперации холода. При этом подводимому воздуху передается холод от отводимого воздуха.
Важной характеристикой рекуператоров является Коэффициент эффективности рекуперации. Коэффициент эффективности рекуперации тепла выражает отношение между максимально возможным полученным теплом и теплом, полученным в действительности. Теоретически эффективность может меняться в пределах от 30 до 90 %
Эта характеристика зависит от стоимости, производителя и типа рекуператора
Теоретически эффективность может меняться в пределах от 30 до 90 %. Эта характеристика зависит от стоимости, производителя и типа рекуператора
Коэффициент эффективности рекуперации тепла выражает отношение между максимально возможным полученным теплом и теплом, полученным в действительности. Теоретически эффективность может меняться в пределах от 30 до 90 %. Эта характеристика зависит от стоимости, производителя и типа рекуператора.
Нужна ли рекуперация лёгкому индивидуальному электротранспорту?
Считать данную систему бесполезным приспособлением конечно не стоит, однако и ожидать от неё чего-либо сверх естественного — будет весьма не разумно. Если у вас расчёт на ситуацию, что контроллер в паре с мотор-колесом функционирующем в режиме регенерации сможет сотворить чудо, увеличив в разы пробег на одном заряде, то готовьтесь к горькому разочарованию. Значимой прибавки к километражу рекуперация вам не обеспечит, но на парочку бонусных километров вы можете вполне рассчитывать. Иногда, даже такая скромная прибавка может прийтись весьма кстати. У рекуперативного торможения есть ещё одно достоинство: тормозные колодки прослужат вам дольше.
Система рекуперации на электробайке является полезным дополнением, вот только юзер должен оценивать её возможности адекватно и не обманывать самого себя. Увеличить показатель пробега на одном заряде можно и другими методами: применением более ёмкого накопителя, ездой в эконом-режиме, а также сочетанием работы электропривода с педалированием.
Естественно, как и говорилось выше, самая большая отдача по рекуперации у тяжёлых транспортных средств: чем тяжелее машина, тем больше отдача — всё просто! Логично, что легковесный индивидуальный электрический транспорт, такими впечатляющими показателями не обладает. На многих моделях электробайков оборудованных функцией рекуперативного торможения, средним показателем считается пяти процентная отдача, а при езде по холмистой местности, можно выжать максимум 8%.
Вместо прямоприводных электромоторов, поддерживающих возврат энергии, в большинстве случаев будет рациональней применить редукторные движки с обгонной муфтой. Эти вариации более экономно потребляют электроэнергию накопителя, обладают меньшей массой и не притормаживают, когда отсутствует питание.
Производители электровелосипедов, иногда используют рекуперативное торможение больше как маркетинговый ход, чем как действительно нужное приспособление. Но всё же вещь эта реально может сослужить добрую службу обладателям электрических байков: особенно радует тот момент, что рекуперация является ещё одной останавливающей силой для лёгкого электротранспорта.
Возьмём за пример электросамокат Xiaomi M365. Фронтальное мотор-колесо замедляется только посредством рекуперации, а вот заднее колесо для этих целей оборудовано дисковым тормозным механизмом. Из этого следует, что аппарат имеет в своём распоряжении две независимые системы торможения и всего один рычаг управления ими. Это даёт такие преимущества: меньшая масса, меньшая себестоимость, облегчение сборки.
Неплохим дополнением рекуперация стала и для электрических скейтбордов. Особенно важную роль она играет на модификациях, максимальная скорость которых достигает отметки 30 км/ч.
Как работает система рекуперации
Определение качества электроэнергии анализаторами
Работу подобной системы можно рассмотреть на примере рекуперации воздуха при вентиляции помещения. При замене воздуха в помещении устройство выполняет передачу части тепла от удаляемого воздуха подаваемому потоку.
Важно! При этом действии смешивания потоков не происходит. Таким способом достигается наибольшая энергоэффективность помещения при невысоком КПД теплообмена
На повышение передачи тепла в этом случае влияют:
- повышение температурной разницы;
- отношение площади теплового соприкосновения к массе воздуха, текущего через теплообменник.
Снижение утечки тепла при вентиляции помещения – вот основная задача у системы рекуперации. Большая часть тепла не покидает помещение без толку, подогревает подаваемый извне воздух.
Рекуператор воздуха
