Рекуперативное торможение

В современных гибридных автомобилях используется система рекуперативного торможения. В основу системы положен электрический способ рекуперации кинетической энергии.

Движение автомобиля сопровождается кинетической энергией. При торможении с использованием традиционной тормозной системы избыток кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию трения тормозных колодок и тормозного диска и, соответственно, расходуется вхолостую.

В системе рекуперативного торможения для замедления используется электродвигатель, включенный в трансмиссию автомобиля. При торможении электродвигатель начинает работать в генераторном режиме, на валу двигателя создается тормозной момент и вырабатывается электрическая энергия, которая сохраняется в аккумуляторной батарее. Запасенная электрическая энергия используется в дальнейшем для движения автомобиля.

Применение системы рекуперативного торможения обеспечивает максимальную отдачу от каждого заряда аккумуляторной батареи и высокую топливную экономичность. Рекуперативное торможение наиболее эффективно на передней оси автомобиля, т.к. до 70% кинетической энергии при торможении приходится именно на переднюю ось.

Эффективность системы рекуперативного торможения значительно снижается на низких скоростях движения автомобиля. Поэтому для доведения автомобиля до полной остановки используются традиционные фрикционные тормоза. Совместная работа двух систем находится под управлением электроники.

Отдельный электронный блок управления реализует следующие функции:

  • контроль скорости вращения колес;
  • поддержание тормозного момента электродвигателя, необходимого для замедления автомобиля;
  • перераспределение тормозного усилия на фрикционную тормозную систему;
  • поддержание крутящего момента, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи.

В данной тормозной системе механическая связь между педалью тормоза и тормозными колодками отсутствует. Решение о торможении принимает электроника на основании анализа действий водителя и характера движения автомобиля.

В работе электронная система рекуперативного торможения взаимодействует с антиблокировочной системой тормозов, системой распределения тормозных усилий, системой курсовой устойчивости, усилителем экстренного торможения.

Система рекуперации кинетической энергии

Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.

Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.

Система KERS применяется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового использования применение данной системы только планируется. Ближе всех к серийному применению системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.

Cистему KERS предлагается использовать при движении автомобиля в городском цикле. При торможении двигатель автомобиля выключается, маховик раскручивается и запасает энергию. При трогании с места используется энергия маховика, автомобиль трогается, а двигатель запускается уже в движении.

По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.

Асинхронная машина, в принципе, как и все электрические машины, является обратимой. Это значит, что она может работать как в режиме двигателя, выполняя какую-то полезную работу, так и в режиме генератора – вырабатывая электрическую энергию.

Если к валу асинхронного электродвигателя приложить момент нагрузки, то преодолевая этот момент, машина будет потреблять энергию из сети. При работе на холостом ходу будет потребляться только энергия, необходимая для покрытия механических потерь в самой машине. Если к валу асинхронной машины подсоединить еще один электродвигатель и с его помощью вращать асинхронную машину, то потери в роторе будут компенсированы за счет приводного двигателя, а в случае, если скорость вращения вала асинхронной машины превысить синхронную частоту вращения (скорость вращения магнитного поля статора), то начнется рекуперация энергии в сеть. Давайте более подробно рассмотрим процесс рекуперации энергии в сеть.

При работе машины в двигательном режиме вращающееся магнитное поле пересекает проводники роторной и статорной обмотки в одинаковом направлении, следствием чего становится совпадение ЭДС статора Е1 и ротора Е2 по фазе. При переходе асинхронника в режим рекуперативного торможения магнитное поле пересекает проводники статора в прежнем направлении, а вот роторные проводники при n>n0 – в противоположном. При этом ЭДС ротора изменит свой знак на обратный и будет равна:

Соответственно ток ротора:

Отсюда следует, что при переходе в режим рекуперации направление изменит только активная составляющая роторного тока, реактивная не поменяет свое направление. Активный ток поменяет направление из-за изменения направления момента асинхронной машины, по сравнению с двигательным режимом.

Векторная диаграмма асинхронного электродвигателя в генераторном режиме:

Векторная диаграмма показывает, что между U и I1 угол сдвига фазы φ1>(π/2), что будет соответствовать режиму, в котором первопричиной появления тока I1 будет не напряжение питающей сети, а ЭДС Е1. Таким образом, статорная обмотка работает в режиме генератора, отдавая энергию в сеть.

Такие же выражения возможно получить и с помощью эквивалентной схемы. Активная составляющая роторного тока будет равна:

Это значит, что при ω>ω0, скольжение s изменит знак, соответственно поменяет знак I2a/, что значит переход машины в режим рекуперативного торможения. Это подтверждает и выражение электромагнитной мощности:

Данное выражение показывает, что при переходе в режим рекуперативного торможения мощность электромагнитная изменяет свой знак, что означает отдачу мощности вторичным контуром.

Обратившись к выражению мощности вторичного контура:

Из этого выражения мы можем увидеть, что знак реактивной мощности будет сохранятся независимо от режима работы.

Это значит что – асинхронный электродвигатель в рекуперативном режиме тоже потребляет реактивную мощность. И чтоб осуществить рекуперацию, необходим источник реактивной мощности, который необходим для создания вращающегося магнитного поля.

Рекуперативное торможение часто используют в подъемно-транспортных механизмах, при спуске тяжелых грузов. Груз, который опускается, развивает на валу машины отрицательный момент и скорость становится n>n0. Таким образом, машина переходит в режим рекуперативного торможения и тем самым создает тормозной момент на валу. В точке пересечения характеристики со значением статического момента скорость двигателя устанавливается, и груз опускается с постоянной скоростью, как это показано ниже:

тормозной момент будет отсутствовать в том случае, если момент на валу машины будет больше, чем критический момент этой же машины.

Рекуперативное торможения при наличии на валу асинхронной машины реактивного статического момента возможно только при наличии преобразователя частоты или двигателя, с переключающимся числом пар полюсов. Рассмотрим для двигателя с переключающимся числом пар полюсов.

Если обмотки статорные двигателя, работающего на высокой скорости

То есть число пар полюсов меньше, переключить на большее число пар полюсов р1, то в таком случае скорость вращения вала асинхронной машины станет больше, чем синхронная скорость, соответствующая новому числу полюсов

Машина перейдет в режим генератора:

На рисунке, область рекуперативного торможения соответствует участку BCD на механической характеристике.

Довольно часто такой способ применяют в металлорежущих станках, в которых применяю асинхронные машины с переключающимся количеством пар полюсов.

УДК 62-593

B. М. Степанов, д-р техн. наук, проф. (4872) 35-54-50, eists @ramb ler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

C. В. Котеленко, асп., 8-920-753-69-77, S.V.Kuzmina@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Описаны существующие способы торможения электродвигателей, сравнение этих же способов между собой, приведены методы и технические решения, применяемые для эффективного использования электроэнергии, в том числе исследование генераторного режима в подъемно-транспортном и железнодорожном хозяйстве. Приведено описание конкретного технического решения, позволяющее рационально использовать электроэнергию в подъемно-транспортном и железнодорожном хозяйстве, в том числе в многодвигательных установках.

Ключевые слова: способы торможения, механическое и электрическое торможение, рекуперативное торможение, устройство рекуперации электроэнергии.

Все способы торможения электродвигателей можно разделить на два основных вида: механическое и электрическое.

При механическом торможении кинетическая энергия преобразуется в тепловую, за счет которой происходит нагрев трущихся и прилегающих к ним частей механического тормоза.

При электрическом торможении кинетическая энергия преобразуется в электрическую и в зависимости от способа торможения двигателя либо отдается в сеть, либо преобразуется в тепловую энергию, идущую на нагрев обмоток двигателя и реостатов.

Электрическое торможение может быть осуществлено рекуперативным и динамическим путем, а также противовключением двигателя.

При динамическом торможении якорь двигателя отключают от сети и замыкают на нагрузочное сопротивление. Машина начинает работать в режиме генератора независимого возбуждения, используя запас кинетической энергии. В двигателях последовательного и смешанного возбуждения при динамическом торможении необходимо изменить направление тока в последовательной обмотке возбуждения, чтобы сохранить направление создаваемого ею потока.

Торможение двигателей противовключением осуществляется переключением его обмоток таким образом, чтобы вращающий момент действовал в сторону, обратную направлению вращения. При этом машина работает в генераторном режиме, а ее ЭДС имеет направление, согласное с напряжением сети, и ток якоря

U + E

1а =-; (1)

га

Если во вращающемся двигателе, имеющем нагрузочный момент на валу, увеличить поток или угловую скорость таким образом, что ЭДС становится равной напряжению сети, то двигатель разгружается и начинает вращаться вхолостую. При дальнейшем увеличении ЭДС (Е>и) машина переходит в генераторный режим, и на ее валу создается тормозной электромагнитный момент. При этом в двигателях параллельного возбуждения не требуется переключения схемы, энергия торможения отдается в сеть и может быть полезно использована. Такое торможение называется рекуперативным и из всех вышеизложенных видов и способов торможения является наиболее экономичным и эффективным.

Рекуперативное торможение применяется, например, в железнодорожном электрическом транспорте — электропоездах, где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия передается через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции. Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях, где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов.

Проводились также эксперименты рекуперативного торможения на автомобилях; для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы и другие устройства.

Кроме этого, также актуально применение рекуперативного торможения в области строительства объектов и других высотно-монтажных работ. В данном случае, рекуперация электрической энергии используется во время спуска груза, а также в случаях работы крана под наклоном. Другими словами, рекуперативное торможение основано на свойстве обратимости электрических машин. При данном торможении тяговый электродвигатель работает в генераторном режиме, создавая необходимый момент сопротивления на валу и тем самым обеспечивая торможение движущейся системы. Электрическая энергия вырабатывается двигателем-генератором либо за счёт потенциальной энергии электротранспорта при его движении под уклон с постоянной скоростью, либо за счёт кинетической энергии при замедлении движущейся системы. Рекуперативное торможение даёт значительную экономию электрической энергии.

Рекуперативное торможение обладает рядом преимуществ, по сравнению с другими видами торможений.

Если сравнивать механическое, а именно реостатное торможение с рекуперативным, то можно сделать следующие выводы.

При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы. Преимуществом этого способа торможения является независимость тормозного процесса от наличия напряжения в контактной сети. Однако, в свою очередь, применение реостатного торможения несет в себе следующие недостатки: большой

удельный вес оборудования, значительные тепловые потери, износ оборудования, нерациональность использования электроэнергии, а также неравномерность скорости торможения, то есть во время движения поезда по крутому спуску, для того чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими тормозами. В результате скорость движения поезда уменьшается, а затем вновь возрастает, т. е. средняя скорость его на спуске ниже допустимой. Кроме того, все время притормаживать нельзя, так как истощается пневматическая тормозная система, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания.

Если сравнивать между собой способы электрического торможения, то отметим следующее.

К основным недостаткам динамического торможения относятся необходимость использования источника постоянного тока и неэкономичность.

Недостатками торможения противовключением являются большие токи и потери в обмотках при торможении, необходима аппаратура, контролирующая угловую скорость и отключающая двигатель от сети при его остановке. Если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за ее больших потерь.

Приведем ниже методы, применяемые для управления тяговых двигателей, в том числе их торможением:

1) накопление электроэнергии. Накопление электроэнергии может происходить несколькими способами:

а) использование тяговых аккумуляторных батарей;

б) применение сверхпроводниковых накопителей электроэнергии (использование кислорода с водородом для питания силовых установок локомотива);

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2) тормозные резисторы. Применение реостатного торможения системы. При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы;

3) контроль потребления электроэнергии:

а) регулирование скорости движения электровоза:

— регулирование напряжения,

результат: повышение надежности и улучшение энергетических и массогабаритных показателей устройства;

— регулирование тока,

результат: ограничение интенсивности нарастания тока и ограничение интенсивности нарастания тока рекуперации в переходных режимах;

б) дополнительные режимные контакторы;

для изменения режима работы электропривода тяги или электрического рекуперативного торможения,

результат: обеспечение экономичного режима работы привода;

4) управление рекуперативным торможением, результат: повышение быстродействия устройства и высокая скорость пуска рекуперативного тормоза, обеспечение режима рекуперативного торможения в широком диапазоне скоростей поезда;

5) замедлители. Выполнены из идентичных звеньев, каждое из которых соединяет ^образный магнитопровод из ферромагнитного материала;

6) конструкция. Использование реверсивных переключателей.

результат: снижение требуемой мощности источника подпитки.

Также, помимо методов управления тяговых двигателей, приведем

методы управления грузоподъемными установками:

1) использование устройства управлением торможением лифтов, например, двухскоростной асинхронный двигатель (АД);

2) применение аккумулирующих устройств. Данный метод используется в ветроэнергетике;

3) конструктивные особенности. Результат: повышение КПД электропривода и его безопасности;

4) регулирование режима рекуперативного торможения электропривода;

5) ступенчатое торможение;

6) использование блока рекуператора.

Что касается методов регулирования торможения автомобилей, то приведем ниже следующие из них:

1) рекуперативный тормоз. Результат упрощенная конструкция и увеличение КПД;

2) регулирование торможения автомобиля с использованием махо-вичного накопителя энергии. Результат: управление режимами через величину и направление тока возбуждения и потенциал сетки;

3) использование аккумуляторных батарей;

4) применение теплогенерирующей смеси.

К недостаткам существующих технических решений относится то, что энергия, получаемая в генераторном режиме, может быть рекуперирована в питающую сеть с помощью устройства рекуперации и использована для питания приводов движения портала и горизонтального перемещения только лишь при их одновременной работе. В результате привода системы зависимы друг от друга, неэффективны в работе и имеют больший расход электроэнергии.

Задачей данного технического решения является экономия электроэнергии, повышение безопасности и соответствующей эффективности работы устройства: обеспечение бесперебойной работы устройства при каких-либо перегрузках и помехах, независимость и автономность работы каждой группы приводов.

На рисунке изображено устройство рекуперации электроэнергии.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Устройство включает в себя: группу коммутирующих ключей, группу предохранителей, устройство грозозащиты, высокочастотный фильтр, а также 4 привода. Все привода идентичны, кроме последнего, он включает в себя несколько двигателей. Каждый привод обладает своей функцией. В нашем случае используются привод подъема груза, привод передвижения тележки, привод поворота стрелы и привод передвижения крана. Как видно из схемы, два привода отмечены пунктиром, тем самым показывая, что схема может включать в себя любое количество приводов.

ОЛМИЯ / 1 …..тт К-ч’Я’У^—У и-иа < т,

Щ-

Ц5—р- Рй» «в4 —и-1 »И

И ±С,3 Я Тйг ш и Гй

л 1* -иЛу.

М1 ;

Схема силового питания преобразователей частоты

Верхняя часть схемы отвечает за безопасность работы системы. В нее входит группа коммутирующих ключей, группа предохранителей, устройство грозозащиты, чтобы надежно защитить объект от воздействия любого вида перенапряжения. В вводном щите находятся рубильник и предохранители РШ-БиЗ. Индуктивности Ы-ЬЗ служат в качестве линий задержки для согласования работы разрядников РУ1-РУЗ и варисторов

RU1-RU3. Предохранители FU4-FU6 и FU7-FU9 устанавливаются в случае. Если ток срабатывания предохранителей FU1-FU3 выше тока, рекомендованного производителем для FV1-FV3 и RU1-RU3 соответственно. Далее следует фильтр для защиты электрооборудования от высокочастотных помех. Конденсаторы С1-С4 предназначены для подавления индустриальных радиопомехи фильтрации токов высокой частоты в цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов. Для эффективного подавления дифференциальных помех в дросселях L1 и L2 используется противоположное подключение обмоток. Дроссели L3, L4 предназначены для подавления высокочастотных помех.

Оставшаяся часть включает в себя 4 идентичных привода, каждый из которых содержит группу коммутирующих ключей, группу предохранителей, рекуператор, блок накопителя электроэнергии, еще одну группу коммутирующих ключей, инвертор, двигатель, редуктор и исполнительный механизм.

Общий принцип таков, что за счет работы одного из приводов, т.е. его накопления электроэнергии через емкостно-индуктивные накопители, работы инверторов и обеспечения рекуперации за счет блоков рекуператоров, все остальные привода могут запитываться не от сети, а от рабочего активного привода. В результате каждая группа приводов может работать в автономном режиме независимо друг от друга, за счет того же блока емкостно-индуктивного накопителя. Также данное устройство рассчитано на применение в многодвигательных установках. Помимо всего прочего, существует возможность подпитывания соседней аналогичной системы приводов за счет энергии исходной системы электроприводов, с помощью третьей дополнительной группы коммутирующих ключей.

Другими словами, в случае применения данного устройства рекуперативного торможения в электрическом транспорте электрическая энергия, возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом, потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме. Если таких электровозов нет или необходимая им энергия меньше рекуперируемой, то так называемая избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой подстанции специальные устройства — инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный трехфазный, направляется в энергосистему.

Данное устройство может применяться в подъемно-транспортных механизмах и других системах, связанных с работой на спуск.

Список литературы

1. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. М.: Энергия, 1980.

2. Кацман М.М. Электрический привод: учебник. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 384 с.

V.M. Stepanov, S.V. Kotelenko

ANALYSIS OF TECHNICAL SOLUTIONS FOR RECOVERY ELECTRICITY

Получено: 24.12.11

УДК 62-593

B. М. Степанов д-р техн. наук, проф. (4872) 35-54-50, eists @гатЬ ler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

C. В. Котеленко, асп., 8-920-753-69-77, S.V.Kuzmina@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РЕКУПЕРАЦИИ В МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫХ ПОДЪЕМНО — ТРАНСПОРТНЫХ МЕХАНИЗМАХ

Описаны режимы работы асинхронного двигателя. Приведено моделирование этих же режимов в пакете Ыа^аЬ.

Ключевые слова: обратимость двигателя, режимы работы двигателя, внешний момент.

Рекуперативное торможение основано на свойстве обратимости электрических машин. При рекуперативном торможении тяговый электродвигатель работает в генераторном режиме, создавая необходимый момент сопротивления на валу и тем самым обеспечивая торможение движущейся

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для любого транспорта – и в особенности для транспорта, работающего на электрической энергии – одним из ключевых параметров является запас хода. Чем больше ёмкость аккумулятора, тем дальше Вы сможете проехать без проблем с «топливом», а это критично. Как правило, пробег без подзарядки даже важнее, чем максимальная скорость, поэтому производители уделяют батарее самое пристальное внимание.

К сожалению, бесконечно увеличивать ёмкость батареи попросту невозможно: чем выше будет заряд, тем больше будет весить аккумулятор. Соответственно, рано или поздно производитель упирается в «потолок», ему остаётся только ждать новой ступени развития батареи… или можно использовать возможность подзаряжать аккумулятор в пути! Речь идёт о рекуперации энергии.

Рекуперация в электросамокатах: как это работает?

Рекуперация (или рекуперативное торможение) – это техника, которая позволяет на короткое время превратить электромотор в генератор энергии, заряжающий аккумулятор от вращения колёс. Тот же приём применяется в трамваях и электричках, в метрополитене, а также в современных электрокарах: Tesla Model S, Chevrolet Volt, Honda Insight и Toyota Prius. Существуют электросамокаты, электровелосипеды и прочий электротранспорт, в котором задействована рекупирация энергии. Этот электротранспорт немного дороже моделей без рекупирации, но запас хода существенно больше.

Общая суть идеи: мотор в транспорте используется для того, чтобы вращать колёса – именно для этого он работает, именно на это расходует энергию. Но если Вы тормозите, мотор не работает, ведь в данный момент нет никакой необходимости разгонять колёса. Соответственно, вполне можно запустить его на это время в режиме генератора, преобразовывающего механическую энергию колёс в электроэнергию и заряжающего аккумулятор?

Принцип рекуперативного торможения особенно эффективен на городских улицах, где постоянно приходится притормаживать: повороты, пробки, светофоры, плотная толпа.

Как понять, насколько будет эффективна рекуперация энергии в электросамокате?

Какую выгоду можно получить от использования мотора с рекуперацией в сравнении с обычным? Ответ на этот вопрос зависит от трёх моментов:

  1. Как часто Вам приходится тормозить и останавливаться? Чем больше на пути пробок, светофоров и т. п. препятствий, тем выше эффективность рекуперации;

  2. Какая часть Вашего пути проходит под уклоном? На таких участках дороги можно двигаться накатом, а значит, двигатель может работать в режиме генератора;

  3. Заявленная эффективность рекуперации в выбранной Вами модели электросамоката (зависит от КПД мотора, аккумулятора и контроллера).

Как правило, выигрыш в пробеге от использования принципа рекуперации энергии составляет 5-10%. Вроде бы и не слишком много, но на практике эти проценты превращаются в дополнительные 2-4 километра, а это кварталов 6, а то и 8! Лишними они не будут точно. Так что, если Вы пользуетесь электротранспортом для повседневных поездок или дальних прогулок, мы однозначно рекомендуем выбирать из моделей с этой функцией.
Также советуем прочитать уникальную статью, о основных неисправностях электровелосипедов, в которой подробно и интересно рассказано о тех моментах, на которые нужно обратить внимание при покупке электровелосипеда.

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС77 — 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408

электронный научно-технический журнал

Совершенствование процесса рекуперации энергии гибридного

автомобиля

# 07, июль 2013

Б01: 10.7463/0713.0588384

Бахмутов С. В., Филонов А. И., Баулина Е. Е.

УДК 629.113

Россия, ГНЦ ФГУП «НАМИ» Россия, Университет машиностроения (МАМИ)

б . Ьаккши1;оу@паш1. ги filonov@mami.ru baulina@mami.ru

Введение

Рекуперацией называется процесс возвращения части энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. Этот процесс возможен на автомобилях с комбинированной энергетической установкой (КЭУ). Использование КЭУ позволяет повлиять на состояние накопителя энергии, т.к. в нем возможна регенерация энергии во время движения автомобиля.

Существует несколько путей для рекуперации на борту автомобиля с комбинированной энергетической установкой. При наличии двигателя внутреннего сгорания, обладающего избытком мощности для движения, этот избыток можно возвращать в батарею. Избыток энергии может образоваться при движении автомобиля на постоянной скорости и даже при ускорении автомобиля. Еще один резерв для пополнения запаса энергии — это рекуперативное торможение. Именно процесс возвращения энергии при торможении потенциально представляется основным источником для пополнения недостатка энергии и устранения ее отрицательного баланса.

В целях удобства для данного исследования будем использовать термин «бортовая система рекуперации энергии» как неотъемлемую часть всей комбинированной энергетической установки гибридного автомобиля. Одной из основных задач при разработке систем рекуперации является правильный выбор накопителя энергии, который позволит системе рекуперации создавать высокие замедления при торможении, воспринимая большие мощности при создании значительного тормозного момента, что

позволит автомобилю на некоторых режимах замедляться только при помощи рекуперативного торможения.

1 Анализ основных проблем при создании системы рекуперации

Основными задачами при разработке систем рекуперации являются следующие:

— правильный выбор накопителя энергии;

— разработка эффективного алгоритма работы КЭУ;

— определение наилучших параметров агрегатов КЭУ для увеличения времени использования рекуперативного торможения с достаточной эффективностью без вовлечения в работу фрикционных тормозов. Высокие замедления при торможении способна обеспечить система рекуперации, воспринимающая большие мощности, следовательно, создающая значительный тормозной момент, что позволит автомобилю на некоторых режимах замедляться только при помощи рекуперативного торможения.

— выбор рациональной схемы КЭУ с минимальными потерями при преобразовании энергии из одного вида в другой при ее передаче от источника к источнику. КПД преобразований зависит от схемы примененной КЭУ. Выбранная схема оказывает заметное влияние на эффективность процесса рекуперации.

В Университете машиностроения работы над рекуператорами энергии ведутся на протяжении ряда лет. Например, результаты исследований маховичных рекуператоров показали, что это техническое решение позволяет улучшить топливную экономичность малого автобуса почти на 30% .

Применение маховичных накопителей исключает преобразования энергии из одного вида в другой, что повышает КПД процесса рекуперации. Эти накопители обладают большой удельной мощностью. Однако, такие недостатки механических рекуператоров, как большие размеры, необходимость применения бесступенчатой передачи, высокие требования к безопасности и необходимость учета аэродинамических эффектов из-за высокой скорости вращения маховика ограничивают возможности их применения в системах рекуперации массовых автомобилей.

В настоящий момент в рамках научно-образовательного центра «Автомобили с комбинированными энергетическими установками» Университета машиностроения ведутся работы над накопителями электрической энергии — аккумуляторными батареями. Комбинированная энергетическая установка с данными накопителями используется на автомобиле «МАМИ-КВАНТ», созданном сотрудниками центра (в соответствии с рисунком 1) .

Рисунок 1 — Автомобиль «МАМИ-КВАНТ»

В таблице 1 дана характеристика используемого на автомобиле накопителя энергии. Таблица 1 — Характеристики накопителя энергии

Марка и модель аккумулятора Optima YellowTop

Напряжение, В 120

Аккумуляторная батарея (тип) свинцово-кислотная

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Количество аккумуляторов 10

Масса общая, кг 190

Макс. емкость (при 3-х часовом разряде), Ач 55

На рисунке 2 можно видеть расположение батареи на борту автомобиля.

Рисунок 2 — Аккумуляторные батареи

При использовании в системе рекуперации автомобилей с КЭУ накопителей электрической энергии возникает ряд проблем, обусловленных внутренними свойствами этих накопителей. Например, при высоком уровне заряда аккумуляторной батареи эффективность процесса подзарядки резко снижается.

Кроме того, невозможно заряжать батареи при низких скоростях движения автомобиля из-за того, что при малой частоте вращения якоря электромашины, работающей в режиме генератора, на возбуждение ее обмотки тратится больше энергии, чем возвращается в батарею. Данные ограничения влияют на величину тормозного момента, создаваемого генератором.

Тип батарей также накладывает ряд ограничений на процесс рекуперации. В нашем случае во избежание негативных эффектов, связанных с разрушением батареи, ток при ее зарядке не мог быть больше порогового значения. Это повлекло за собой уменьшение мощности рекуперации. Кроме этого, батарея имеет ограничение напряжения на терминальных выводах, превышение которого может привести к ее разрушению (в нашем случае ограничение составило 156 В).

В связи с вышесказанным необходимо тщательно подходить к выбору типа накопителя электрической энергии. В настоящее время в системах рекуперации гибридных автомобилей используются более перспективные никель-металлогидридные и литий-ионные аккумуляторы, а также в будущем возможно применение суперконденсаторов и комбинации «суперкондесатор-батарея».

2 Принципы выбора накопителя энергии

Выбор аккумуляторной батареи базируется на анализе и сравнении свойств и показателей аккумуляторов различных типов. Во-первых, при проектировании комбинированной энергетической установки необходимо учитывать удельные характеристики накопителей, такие как удельная энергия и удельная мощность . Для свинцово-кислотных аккумуляторов, установленных на экспериментальном автомобиле «МАМИ-КВАНТ» абсолютные значения данных показателей сравнительно невелики, но их зависимость друг от друга удовлетворительна — при увеличении удельной мощности, например, в режиме зарядки, что требуется для обеспечения необходимой мощности рекуперации, удельная энергия, т.е. способность запасать полученное количество энергии, отнесенное к единице массы батареи, уменьшается незначительно. Для никель-металлогидридных батарей данная зависимость оптимальна — при увеличении удельной мощности в определенных пределах удельная энергия почти не уменьшается. Это выгодно отличает данные аккумуляторы от литий-ионных, у которых удельная энергия может уменьшиться в несколько раз при незначительном увеличении удельной мощности. Но этот недостаток в данном случае может компенсироваться увеличением числа аккумуляторов в батарее, так как масса одного литий-ионного аккумулятора намного меньше, чем свинцово-кислотного и никель-металлогидридного. В итоге масса батареи может быть одинаковой у всех трех типов аккумуляторов, а удельная мощность заметно отличаться.

Данный факт указывает на то, что при выборе накопителя необходимо анализировать и другие показатели батарей, такие как: масса, стоимость, освоенность в производстве, приспособленность к конкретным условиям эксплуатации, величину жизненного цикла и т.д. При разработке комбинированной энергетической установки для автомобиля «МАМИ-КВАНТ» выбор был сделан в пользу свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, потому что по стоимости, приспособленности к эксплуатации при низких температурах и освоенности в производстве данные батареи заметно отличаются в лучшую сторону от батарей других типов, а именно эти показатели, при допустимых ограничениях по удельным мощности и энергии, были определяющими в проекте. Благодаря высокой удельной мощности, практически неограниченному числу циклов заряда-разряда и широкому температурному диапазону работы суперконденсаторы представляются перспективным источником энергии, но в настоящий момент их низкие удельные энергетические параметры и высокая стоимость не позволяют говорить о возможности их широкого применения в качестве тяговых на автомобилях с КЭУ.

Упомянутые выше комбинации батарей с маховиками и суперконденсаторами также являются перспективными. Такое решение позволяет избежать ограничений по мощности зарядки, накладываемое батареей, так как в этом случае именно суперконденсатор воспринимает большую мощность и сразу передают ее в батарею, которая используется для хранения возвращенной энергии. В этом случае при подзарядке исключена возможность ее разрушения.

3 Проведение экспериментальных исследований

Для проведения экспериментальных исследований необходимо определить алгоритм работы автомобиля с КЭУ. Для исключения работы ДВС на режимах повышенной токсичности и высоких удельных расходов топлива автомобиль с КЭУ должен трогаться и разгоняться до определенной скорости в электрорежиме.

Далее необходимо определить до какой скорости автомобиль должен разгоняться в электрорежиме, какая передача должна быть включена в коробке передач в дальнейшем, на каком двигателе — электрическом или ДВС — осуществлять равномерное движение, сколько времени должен работать ДВС в цикле, чтобы обеспечить полную зарядку накопителей к концу цикла. При этом автомобиль с КЭУ должен обладать необходимой динамикой разгона с целью исключения возможности торможения городского транспортного потока, то есть ускорения при разгоне на электротяге должны быть порядка 1 м/с2. Так как электродвигатель обеспечивает требуемые ускорения в достаточно узком диапазоне скоростей автомобиля, то при достижении определенной скорости в работу вступает ДВС, работающий на режиме минимальных удельных расходов топлива. В случае избытка мощности ДВС разница между мощностью требуемой для движения и мощностью, которую обеспечивает ДВС, направляется в накопитель энергии через электромашину, работающую в режиме генератора. Если мощности ДВС не достаточно, дополнительно включается тяговый электродвигатель. При торможении происходит рекуперация энергии, батареи заряжаются.

Кроме того, за время городского цикла нужно обеспечить баланс энергий -энергия, затрачиваемая на разгон и равномерное движение автомобиля в цикле, должна быть компенсирована энергией, рекуперируемой в процессе замедления и вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания в течение дополнительного времени работы в цикле. Для обеспечения экономии топлива двигатель внутреннего сгорания должен работать в любом режиме по характеристике минимальных удельных расходов.

Далее требуется определить количество энергии, затраченной электродвигателем из накопителя при разгоне, и энергию, направленную в накопитель от ДВС. Для этого

необходимо для каждого интервала «разгон-равномерное движение-торможение» цикла получить и построить график баланса мощностей при движении автомобиля в городском цикле. Интегрирование мощностей позволит определить затраченную и рекуперируемую энергию.

Средняя мощность, затрачиваемая на преодоление сил инерции на участке Д^

Т7 . ~ Vа

% 1 3.6

где Ga — полный вес автомобиля, g — ускорение свободного падения, ja — ускорение автомобиля, 5] — коэффициент учета инерции вращающихся масс автомобиля, Уа — среднее значение скорости автомобиля в выбранном интервале времени, км/ч.

Средняя мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению на участке Д^

М/ = Оа-/о + 440-5 Vа)• ^

где ^ — номинальное значение коэффициента сопротивления качению.

Средняя мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха на участке Д^

2 3.63

где Сх — коэффициент сопротивления воздуха, р — плотность воздуха, F — площадь лобового сопротивления автомобиля.

Средняя мощность, затрачиваемая на преодоление суммарного сопротивления на участке Д^

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ме = + + .

При переключении передач мощность затрачивается только на преодоление сил сопротивления качению и воздуха, при этом N1 = 0.

Мощность двигателя при равномерном движении затрачивается на преодоление сопротивления воздуха и сопротивление качению.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению на участке равномерного движения:

-5 тл2 \ Гр.д.

= Оа-/0 + 4-10-5 •Кр2д.)• ^ где Vр.д. — скорость равномерного движения в городском цикле.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха на участке равномерного движения:

г V

= Гх Р р рд-

2 ‘ 3.63 ‘

Мощность, затрачиваемая на преодоление суммарного сопротивления на участке равномерного движения:

ЯМ2= М/ + .

На этапе замедления происходит рекуперация энергии автомобиля. Мгновенное значение мощности при рекуперации представляет собой разницу мощности, затрачиваемой на преодоление сил инерции и мощности, затрачиваемой на преодоление дорожного сопротивления:

Nрек = NJ — (К/ + ).

Интегрирование мощностей позволяет определить необходимую в фазе разгона и равномерного движения энергию и энергию, рекуперируемую в фазе замедления.

Энергия, рекуперируемая в фазе замедления:

к

¿рек = / ^рек Х

Так как накопленная энергия меньше затраченной на фазе разгона, то равномерное движение только на электродвигателе невозможно. Для зарядки накопителя требуется дополнительное время работы ДВС при равномерном движении.

Для определения времени работы ДВС и электродвигателя при движении в цикле

требуется составить баланс энергий в каждом интервале «разгон-равномерное движение-

торможение» цикла: энергия, затрачиваемая на разгон и равномерное движение в цикле

должна быть равна сумме энергии, накопленной в процессе замедления и вырабатываемой

ДВС при разгоне и равномерном движении.

А + А = А + АДВС + А Лраз. Лр.д. Лнак. 1 Л нак. -^доп. ■>

где Араз. — энергия, затраченная электродвигателем на фазе разгона в городском цикле, Ар.д. — энергия затрачиваемая электродвигателем на фазе равномерного движения при движении в электрорежиме, Анак. — энергия, накопленная в процессе замедления, АнакДВС -энергия, вырабатываемая ДВС при разгоне, Адоп. — энергия, направляемая в накопитель при равномерном движении.

Для прохождения заданного городского цикла с использованием средств вычислительной математики был составлен алгоритм работы КЭУ, позволяющий прийти к энергетическому балансу в конце цикла (в соответствии с рисунком 3).

60 -1-1-1-1-1-1-1-1-г

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

t. сек

Рисунок 3 — Распределение мощности при движении в цикле ECE-15

Первый участок — автомобиль движется в электрорежиме.

Второй участок — автомобиль разгоняется в электрорежиме. При достижении заданной скорости 32 км/ч в работу вступает ДВС, при этом в коробке передач включена 3 передача. Из-за избытка мощности ДВС разница между мощностью требуемой для движения и мощностью, которую обеспечивает ДВС, направляется в накопитель энергии через электромашину. Через 10 секунд ДВС выключается и движение продолжается в электрорежиме.

Третий участок — автомобиль разгоняется в электрорежиме. При достижении заданной скорости 35 км/ч в работу вступает ДВС. В течение следующих 15 секунд работы ДВС избыточная мощность так же через электромашину направляется в накопитель. Оставшуюся часть цикла автомобиль проходит в электрорежиме.

Сотрудниками научно-образовательного центра были проведены стендовые и дорожные испытания автомобиля с комбинированной энергетической установкой. В ходе испытаний была выполнена оценка эффективности работы системы рекуперации энергии торможения и ее влияния на топливную экономичность автомобиля с КЭУ. Так как данный автомобиль имеет возможность накапливать энергию не только во время торможения, а также в режимах разгона и равномерного движения, это также было учтено при расчете расхода топлива .

Испытания проводились в соответствии с Правилами № 83 по европейскому городскому циклу ECE-15.

4 Анализ результатов экспериментальных исследований

Результаты испытаний показали, что применение комбинированной энергетической установки значительно улучшает топливную экономичность и экологичность автомобиля. С учетом норм Правил № 101 ЕЭК ООН для автомобилей с КЭУ эквивалентный расход топлива составил 12.4 л/100 км. Экономия топлива при компенсации дисбаланса энергии получена за счет выключения ДВС при замедлении, остановках и в начальной фазе разгона автомобиля. Кроме этого, экономия обеспечивается рекуперацией энергии. Этот процесс иллюстрируется таблицей 4:

Таблица 4 — Экономия топлива с учетом рекуперации

Рекуперация при торможении Подзарядка батареи при равномерном движении Подзарядка батареи во время разгона

Снижение расхода топлива, л/100 км 0.6 1.71 0.28

Возвращенная энергия, кДж 55.61 156.91 25.74

Доля возвращенной энергии 23 66 11

Таблица 4 демонстрирует возможности рекуперации на автомобиле «МАМИ-КВАНТ». Наибольшую долю возвращенной энергии дает рекуперация при равномерном движении автомобиля в цикле, когда двигатель внутреннего сгорания работает по характеристике минимальных удельных расходов топлива, а значит с почти полностью открытой дроссельной заслонкой, а избыток энергии направляется в накопитель. Также небольшой вклад вносит и подзарядка батареи при разгоне автомобиля в цикле, когда также образуется небольшой избыток энергии при работе ДВС по характеристике минимальных удельных расходов топлива. Рекуперация при торможении возвращает в батарею 23% энергии. Но общая эффективность процесса рекуперативного торможения невелика. Данный факт иллюстрирует таблицей 5.

Таблица 5 — Эффективность процесса рекуперации

Свободная кинетическая энергия при торможении, кДж 457.16

Энергия, возвращенная в накопитель при торможении, кДж 55.61

Эффективность, % 12

Как можно видеть из таблицы 5, при торможении запасается лишь 12% от всей кинетической энергии, которую теоретически можно было бы вернуть в накопитель во время замедления. Это произошло из-за того, что процесс рекуперации невозможен при низких скоростях движения и по причине ограничения тока (а значит и мощности) зарядки во избежание разрушения свинцово-кислотных батарей, установленных на автомобиле.

5 Рекомендации по выбору накопителя энергии

На основе анализа представленных на рынке гибридных автомобилей и аккумуляторов энергии были сформированы требования к «идеальному» аккумулятору, применение которого позволит решить большинство существующих проблем и простимулирует автопроизводителей к широкому внедрению КЭУ на автомобилях. Основными требованиями, которым должен удовлетворять аккумулятор, в том числе с учетом отечественных условий, являются:

— Цена за кВт*ч должна быть ниже 500 $;

— Диапазон рабочих температур: -50 … +80 °С;

— Число циклов заряд-разряд: более 2000;

— Способность к микроциклированию;

— Удельные характеристики:

— Удельная энергия более 300 Вт*ч/кг,

— Удельная мощность выше 500 Вт/кг;

— Способность воспринимать перегрузки свыше 20С;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— Пожаро- и взрывобезопасность;

— Экологичность в полном жизненном цикле.

С учетом сделанных выводов в настоящее время ведется работа по созданию модернизированной системы накопления энергии на базе современных литий-ионных аккумуляторов энергии. В основе блока накопителя лежат аккумуляторные ячейки фирмы Thunder Sky, приведенные на рисунке 4. Параметры ячеек приведены в таблице 6. Указанные ячейки объединены в модули. Каждый модуль имеет систему контроля текущего состояния по уровню заряда и температуре, а также систему выравнивания заряда аккумуляторов в модуле. Накопитель требуемой емкости и напряжения набирается

из вышеуказанных модулей, оснащается системой поддержания рабочей температуры в узком диапазоне и устанавливается на автомобиль. Форму накопителя можно менять в зависимости от компоновочных особенностей базового автомобиля.

Рисунок 4 — Общий вид аккумулятора энергии

Таблица 6 — Характеристика аккумулятора энергии

Показатель Значение

Номинальная емкость, А*ч 40

Напряжение разряда, В 2,8

Напряжение заряда, В 4,0

Максимальный зарядный ток 3С

Максимальный разрядный ток (постоянный) 3С

Максимальный разрядный ток (импульсный) 20С

Номинальный зарядный/разрядный ток 0,5С

Количество циклов при 80% разряде Более 3000

Количество циклов при 70% разряде Более 5000

Температура корпуса, 0С Не более 200

Рабочая температура, 0С -45 … 85

Саморазряд Не более 3% в месяц

Масса, кг 1,6

Одним из преимуществ данных аккумуляторов является возможность в ближайшей перспективе организации их массового производства на территории России, что приведет к снижению их цены и повышению доступности компонентной базы для КЭУ.

Заключение

Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что использование рекуперации положительно влияет на топливную экономичность и экологичность автомобиля, однако ее эффективность на автомобиле «МАМИ-КВАНТ», относительно невысока. Во многом из-за несовершенства бортового накопителя энергии. Поэтому для улучшения параметров рекуперации необходимо провести ряд усовершенствований, а именно:

— применить накопители энергии с высокими удельными мощностными и энергетическими показателями;

— применить комбинированную систему накопления энергии, состоящую из высокомощных конденсаторов и тяговых батарей (в перспективе).

Список литературы

SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE RAIJMAN MS TU

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

SCIENCE and EDUCATION

EL № FS77 — 48211. №0421200025. ISSN 1994-040S

electronic scientific and technical journal

Improvement of recuperation for a hybrid vehicle

# 07, July 2013

DOI: 10.7463/0713.0588384

Bakhmutov S.V., Filonov A.I., Baulina E.E.

Russia, Federal State Unitary Enterprise «Central Scientific Research Automobile and Engine

Institute»

Russia, Moscow State Universityof Mechanical Engineering (MAMI) University of Mechanical

Engineering s. bakhmutov@nami. ru filonov@mami.ru baulina@mami.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *