Рекуперативное торможение транспортных средств с электродвигателем

Идея рекуперативного торможения состоит в том, чтобы улавливать часть кинетической энергии транспортного средства и хранить ее, а не сбрасывать в виде тепла

Для передвижения пассажиров и грузов с помощью транспорта, в частности автомобильного, тратится огромное количество энергии. Помимо возможности свободного перемещения из одной местности в другую, из-за которого может возникнуть чувство беспрецедентной свободы, способной изменить большую часть привычного образа жизни, этот процесс характеризуется большими тратами энергии «впустую».

Если водитель израсходует бак с бензином, путешествуя из одного города в другой, 100% запасенной энергии топлива будет преобразовано в тепло, значительная часть которого не произведет никакой работы. Часть энергии будет потрачена на трение в трансмиссии, и некоторое ее количество будет использовано по назначению на приведение автомобиля в движение.

Когда водитель осуществляет торможение транспортным средством до полной остановки, то вся его кинетическая энергия преобразуется в тепло, выделяемое тормозной системой. Идея рекуперативного торможения состоит в том, чтобы улавливать часть этой кинетической энергии и хранить ее, а не сбрасывать в виде тепла.

Рекуперативное торможение в электротранспорте

Идея сохранения кинетической энергии не нова, реализация электрического рекуперативного торможения существует по крайней мере с 1906 года. Электрическое рекуперативное торможение встречается в транспортных средствах, которые приводятся в движение электродвигателем от батареи. Также в этих системах, называемых гибридными, может присутствовать двигатель внутреннего сгорания.

Если колеса и оси автомобиля приводятся в движение от электродвигателя, а не наоборот, то он действует как генератор, а часть исходящей от него энергии используется для обратной зарядки аккумулятора.

Существуют и другие методы регенерации кинетической энергии. В течение нескольких лет, начиная с 2009 года, команды «Формулы-1» для сохранения кинетической энергии использовала маховики. Эта идея не так популярна, как электрическое рекуперативное торможение, исходя из соображений безопасности и сложности ее реализации.

КПД автомобильных двигателей

Обычный автомобильный двигатель внутреннего сгорания имеет КПД около 0,12-0,20. То есть только около 20% запасенной энергии бензина преобразуется в кинетическую энергию транспортного средства.

Напротив, электродвигатели имеют более высокую эффективность. Асинхронные электродвигатели имеют КПД от 0,65 до 0,94 (в городском режиме вождения и на шоссе), двигатели переменного тока с постоянными магнитами еще более эффективны и достигают КПД 0,83–0,95 при тех же условиях.

Таким образом, если говорить строго об эффективности, соотношении работы двигателя к потребляемой им энергии, электродвигатели, где естественным образом реализовано электрическое рекуперативное торможение, обладают очевидным преимуществом.

Хотя эффективность электродвигателей обычно высока, она изменяется в зависимости от скорости и крутящего момента. Эффективность электродвигателей падает, когда они работают с максимальным крутящим моментом на низких скоростях вращения ротора.

Ограничения и возможности

Чтобы оценить эффективность транспортного средства, включая рекуперативное торможение, необходимо учесть его ограничения в использовании. Во-первых, если двигатель используется в качестве генератора, он ограничен теми же пределами мощности, которые присутствуют при его работе в обычном режиме.

Это проблема, потому что автомобили тормозят гораздо сильнее (с гораздо большей мощностью), используя обычные тормоза на основе трения, чем они ускоряются. При использовании одного лишь только рекуперативного торможения создаваемое транспортным средством тормозное усилие будет меньшим, чем если бы оно использовало традиционные тормоза на основе трения.

Кажется маловероятным, что электромобили в ближайшее время откажутся от обычных тормозов. Мощность торможения ограничивается не только номинальной мощностью двигателя, но и пределом мощности зарядки аккумуляторной батареи. Этот предел зависит от типа батареи (химического состава) и изменяется в зависимости от температуры окружающей среды.

Это затрудняет анализ мощности торможения, поскольку автомобиль может создавать тормозное усилие на полной мощности в течение короткого периода времени (несколько секунд), но при повышении температуры аккумуляторной батареи и инвертора мощность торможения резко упадет.

Хотя реальная выгода от рекуперативного торможения может варьироваться в зависимости от сценария, некоторые симуляции показывают, что его использование снижает внешнее потребление энергии примерно на 20% при движении автомобиля в городских условиях.