Регистрация Войти
Вопрос

Что такое рекуперативное торможение и почему мы его не используем?

Я знаю, что во многих электромобилях используется рекуперативное торможение, которое позволяет повысить эффективность автомобиля за счёт преобразования тепловой энергии, которая в противном случае была бы потеряна, в более полезную форму энергии, которую можно использовать повторно.



Рекуперативное торможение



Наверняка должен быть какой-то способ разработать новую конструкцию тормозов, которая позволила бы использовать эту технологию в более традиционном автомобиле с обычным двигателем внутреннего сгорания.



Чего я не понимаю, так это:




  • Что такое рекуперативное торможение?

  • Почему рекуперативное торможение можно использовать только в электромобилях и гибридах?

  • Есть ли какая-то причина, по которой мы не можем использовать эту продуманную технологию торможения для увеличения мощности коленчатого вала или снижения расхода топлива?



Источник изображения: http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936885/Regenerative%20Braking
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/24499/what-is-regenerative-braking-and-why-dont-we-use-it
1
+ Читать

33 Комментария

  1. Мы можем сделать кое-что получше.



    Впереди, в полумиле (800 м), я вижу, как загорается жёлтый сигнал светофора. При скорости 60 миль в час (100 км/ч) это займёт 30 секунд. Я знаю, что цикл светофора составляет около 35 секунд, плюс 10 секунд на то, чтобы сдвинуться с места скопившимся машинам.



    Я постоянно увеличивал мощность, чтобы поддерживать скорость. Я буду делать это ещё 25 секунд, затем 5 секунд резкого торможения и остановка. 15 секунд игры в телефоне, и я поеду дальше.



    Или... Я сразу же перехожу на холостой ход. Моя машина движется накатом. Двигатель все еще работает на передаче, и мой импульс толкает (крутит) двигатель, создавая эффект мягкого торможения, поэтому топливные форсунки полностью отключаются. Моя скорость постепенно снижается... 55... 50... 45... Немного мощности... 40 (65 км/ч)... перевернуть светофор переключается на зелёный, когда я проезжаю ещё 1/8 мили (200 м). Остановившиеся машины трогаются с места, и я точно знаю, когда нужно прибавить скорость. И я никогда не торможу.



    В первом сценарии происходит два обмена энергией. Во-первых, топливо расходуется на протяжении 3/8 мили (600 м), чтобы поддерживать крейсерскую скорость. Во-вторых, энергия торможения расходуется на протяжении последней 1/8 мили. Эти значения не только почти равны, они равны по величине. Если бы мы использовали правильную систему рекуперации, мы могли бы считать показания амперметра и определить фактическое количество джоулей на входе и выходе.



    Во втором сценарии их нет. Топливо не расходуется, а энергия торможения не рассеивается. Эффект рекуперативного торможения достигается, но без каких-либо потерь при преобразовании.



    Конечно, это скорее образовательный, чем технологический подход, но он работает. Даже на электромобиле с функцией рекуперации он работает лучше, чем рекуперация. На самом деле на электромобиле он будет работать даже лучше, потому что у вас будет больше «выбега» — не нужно использовать сопротивление для раскручивания двигателя, чтобы просто обеспечить помощь при торможении и рулевом управлении.


  1. Регенеративное торможение действительно полезно только для электромобилей или гибридных автомобилей по той простой причине, что у них есть возможность использовать накопленную энергию. Кроме того, если в трансмиссии есть электродвигатель, регенеративное торможение практически встроено (по крайней мере, с точки зрения аппаратного обеспечения), поскольку вы просто используете существующий двигатель (двигатели) в качестве генератора и направляете вырабатываемую энергию в аккумулятор для последующего использования.



    По сути, нет никакого смысла использовать рекуперативное торможение где-либо, кроме гибридных автомобилей. Более того, наличие рекуперативного торможения является хорошим показателем того, что автомобиль гибридный.



    Хотя нет никаких причин, по которым вы не могли бы оснастить обычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания системой рекуперативного торможения, если вы не собираетесь использовать эту энергию для движения автомобиля, то вы мало чего добились, так как добавляете много лишнего веса и усложняете систему хранения электрической энергии, которую вы не можете использовать.



    Кроме того, во время длительных поездок по шоссе/автомагистралям вы можете недостаточно тормозить, чтобы обеспечить даже минимальные потребности вспомогательных электрических систем (освещение, зажигание, радио, зарядка аккумулятора для запуска двигателя и т. д.), поэтому вы можете даже не воспользоваться преимуществом отсутствия генератора.


  1. Вы можете использовать как фрикционные, так и рекуперативные тормоза с самого начала. Я не понимаю, почему должен быть момент, когда вы на полсекунды остаётесь без тормозов. Хотя я согласен с тем, что управлять двумя видами тормозов одновременно сложнее, чем одним.

  1. Дизель-электрические железнодорожные локомотивы действительно используют рекуперативное торможение, но они называют его «динамическим торможением». Кроме того, они не накапливают энергию, а сбрасывают её через резистивные сетки и вентиляторы на уровне крыши.



    Полноценные электровозы и некоторые трамваи обычно могут возвращать рекуперированную энергию в контактный провод или третий рельс. В системах постоянного тока это сделать гораздо проще.



    Но тяговые двигатели (как правило, по одному на ось) приводятся в движение за счёт инерции поезда и поэтому работают как генераторы.

  1. В ответ на вопрос «Что такое рекуперативное торможение и почему мы его не используем?» мы можем сказать, что используем. При обычном торможении кинетическая энергия автомобиля преобразуется в тепло в тормозном диске, которое затем рассеивается и теряется. При рекуперативном торможении кинетическая энергия автомобиля не рассеивается в атмосфере в виде тепла, а преобразуется в электрическую энергию и накапливается в аккумуляторе автомобиля.



    В автомобилях Volkswagen Bluemotion (и я почти уверен, что другие производители делают то же самое, но я уверен, что Volkswagen делает) установлен очень сложный генератор переменного тока. Когда автомобиль определяет, что он замедляется из-за давления на тормоза, при этом он находится на передаче и сцепление включено, генератор переходит в режим, в котором он получает значительно больше энергии от привода. Обычно эта энергия поступает от двигателя, но при торможении она поступает исключительно через трансмиссию и фактически работает против трансмиссии.



    Эта система устанавливается как на бензиновые, так и на дизельные автомобили Volkswagen, оснащённые Bluemotion. Более подробная информация доступна здесь и здесь



    Я понимаю, что это не совсем то же самое, что используется в болидах «Формулы-1», но это тоже форма рекуперативного торможения, и сегодня она применяется на дорогах общего пользования.

  1. Вкратце: да. Просто это дорого.



    Одно из различий между электрическими и химическими двигателями заключается в том, что в электрических системах гораздо удобнее накапливать и сохранять энергию (например, в аккумуляторе). Всё, что вам нужно сделать, — это использовать индукцию для создания электрического тока прямо на колесе во время торможения. Направьте этот ток на аккумулятор, и вы сохраните энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую.



    В двигателе, работающем на химической энергии, гораздо сложнее накапливать избыточную энергию. Например, мы не можем использовать тормоза для выработки дополнительного количества бензина. Однако можно сохранить кинетическую энергию в чем-то вроде KERS. При торможении энергия будет использоваться для раскручивания маховика. Затем этот маховик можно использовать для получения дополнительной движущей силы, когда это необходимо.



    К сожалению, системы KERS стоят дорого и требуют дополнительных инженерных решений (как именно заставить вращающийся маховик толкать автомобиль вперёд?). Кроме того, они не так распространены, поэтому не могут похвастаться экономией за счёт масштаба.



    Тем не менее они работают. «Формула-1» успешно использует их в качестве системы ускорения при обгоне. Я бы не стал использовать такую возможность на дороге, но был бы рад поэкспериментировать с чем-то, что поможет мне выжать больше из галлона бензина.


  1. @DmitryGrigoryev Prius — не единственный автомобиль, в котором происходит переход от рекуперативного торможения к торможению фрикционными колодками. Я говорю о том, что система сложная и из-за этой сложности могут возникать сбои, как в случае с Prius. Проблема в том, что для эффективной работы рекуперативных тормозов необходим переход, а это проблема рекуперативных тормозов.

  1. Регенеративное торможение — это система, которая накапливает энергию, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла в тормозах. Несмотря на то, что эти системы кажутся идеальными, у них есть целый ряд собственных проблем.



    1. Ещё до того, как мы перейдём к накоплению и выработке энергии, становится ясно, что обычные тормоза устроены очень сложно. Чтобы рекуперативное торможение работало должным образом, тормоза не должны включаться, пока рекуперативные тормоза выполняют свою функцию. Кроме того, рекуперативные тормоза работают только на высокой скорости и теряют свою эффективность при замедлении. Это требует перехода, при котором на высокой скорости рекуперативные тормоза замедляют автомобиль, а обычные тормоза нет, а при замедлении рекуперативные тормоза замедляют автомобиль всё меньше и меньше, и в конце концов обычные тормоза останавливают его. Система, которая позволяет педали тормоза работать как обычно, в то время как обычные тормоза бездействуют, а затем плавно переключает вас на обычное торможение так, что вы даже не замечаете переключения, очень сложна, и довести её до совершенства очень трудно. У Toyota были проблемы с этой системой в Prius, где при переключении торможение пропадало на полсекунды, из-за чего люди чувствовали себя очень некомфортно.



    2. Накопление энергии - огромная проблема. В гибридах все звучит великолепно, просто заряжайте аккумуляторы, хотя на самом деле количество энергии, вырабатываемой автомобилем во время остановки, намного больше, чем на самом деле могут поглотить аккумуляторы. Если остановка происходит быстро, проблема усугубляется. Система, о которой упоминал @BobCross, - это KERS. При соединении двигателя / генератора с маховиком дополнительная регенеративная энергия, которая не может поступать непосредственно в батареи, используется для вращения маховика. Затем, с течением времени, энергия преобразуется в электричество для зарядки аккумуляторов. Эти системы очень тяжёлые и дорогие. В других системах используются суперконденсаторы. Избыточная энергия накапливается в суперконденсаторах. Проблема в том, что энергия, накопленная в конденсаторах, бесполезна без преобразования. Напряжение в конденсаторах падает очень быстро. Если необходимо хранить энергию высокого напряжения, то нужна система для понижения напряжения до приемлемого уровня. Если необходимо хранить энергию с напряжением не выше, чем у аккумулятора, то нужна система для повышения напряжения до приемлемого уровня. Суперконденсаторы тоже довольно дорогие.




    В гибридных и электрических автомобилях есть встроенные электрические системы, которые используют преимущества рекуперативного торможения. Все эти проблемы усугубляются при использовании обычных бензиновых двигателей. Для обеспечения рекуперативного торможения необходимо установить новую систему, которая не может использовать уже существующие технологии, что увеличивает расходы. Становится сложно убедить кого-то в необходимости системы, которая увеличивает стоимость автомобиля на 5000 долларов, но при этом повышает экономию топлива в городе, но снижает её на шоссе.


    Компания Ford разрабатывает систему, в которой объёмный насос заряжает гидроаккумулятор при остановке. При трогании с места давление жидкости направляется в обратном направлении через насос, превращая его в двигатель, который помогает тронуться с места. Система предназначена для больших грузовиков, для которых размер системы не является проблемой. Кроме того, система работает шумно и подвержена утечкам.
  1. @vini_i значит, проблема с потерей тормозного усилия на полсекунды действительно связана с Prius, а не с рекуперативными тормозами. Из вашего ответа следует, что эта проблема есть у всех рекуперативных тормозов, но это не так.
  1. Нет никаких причин, по которым рекуперативные тормоза не могли бы работать одновременно с фрикционными тормозами. Проблемы с этим у Prius не делают такую возможность невозможной.
  1. К сожалению, подавляющее большинство систем электропоездов совершенно не приспособлены для рекуперативного торможения. Если в определённом месте больше вагонов тормозит, чем движется, напряжение в контактной сети сильно повышается, так как она пытается направить полезный ток в дальние уголки системы, где движутся другие вагоны. Это может привести к поломке. Если общее количество торможений превышает общее количество движений, то либо подстанции должны возвращать энергию в сеть, либо интеллектуальные системы в вагонах должны отключаться. Сложная проблема.
  1. Страдает на шоссе? Серьезно? На шоссе вы не разгоняетесь, так что дополнительная масса не причинит ему вреда. Важны лобовая площадь и коэффициент аэродинамического сопротивления, а они одинаковы. Гибридные автомобили позволяют использовать имитацию двигателя Аткинсона, который на много процентов эффективнее. Таким образом, система стоимостью 5000 долларов, которая превращает негибридный автомобиль в гибридный, на самом деле немного повышает топливную экономичность, хотя основные преимущества будут получены в городе.
  1. @DmitryGrigoryev Использование фрикционных тормозов на высокой скорости вместе с рекуперативными тормозами снизит эффективность рекуперативного торможения. Когда вы останавливаетесь за определённое время, необходимо рассеять определённое количество энергии. Фрикционные тормоза предназначены для рассеивания всей этой энергии. В этом случае для рекуперативных тормозов не остаётся энергии. Если включаются рекуперативные тормоза, автомобиль останавливается быстрее, чем ожидал водитель, при заданном усилии на педаль.
  1. @DmitryGrigoryev Регенеративное торможение работает вместе с фрикционными тормозами. При остановке с высокой скорости сначала срабатывают только регенеративные тормоза, затем включаются фрикционные тормоза, при этом регенеративное торможение продолжает работать, но менее эффективно. Соотношение фрикционных и регенеративных тормозов постепенно смещается в пользу фрикционных, и в конце концов фрикционные тормоза останавливают автомобиль.
  1. Я ошибался, это автобусы. Посмотрите. wired.com/2014/07/f1-kers-london-buses
  1. @DucatiKiller Нет, не видел.
  1. Отлично, спасибо за рекомендацию. Вы слышали о надстройке Williams KERS для грузовиков?
  1. @DucatiKiller В Fisker Karma используется система KERS, как я и описывал в посте.
  1. Знаете ли вы какие-нибудь модели, которые используют эту технологию? Если я правильно помню, Williams F1 заключила контракт с парой крупных местных судоходных компаний в Великобритании на установку системы KERS, аналогичной той, что использовалась в предыдущем своде правил F1, когда это была KERS, а не MGU-K/H.
  1. @njzk2 Нет, если вы просто поместите второй такой же, вращающийся в противоположном направлении (таким образом, вы компенсируете угловой момент и тем самым устраните любой "гироскопический эффект"). *Редактировать: да, это "дополнительная" инженерия, и «Формула-1», вероятно, не стала бы этим заморачиваться...
  1. Кроме того, у маховиков есть и другие побочные эффекты, например эффект гироскопа.
  1. Интересно, связано ли это с обратимостью двигателя: если не учитывать потери (для простоты), то обратимость — это способность менять направление всех потоков энергии. Электродвигатели могут это делать. Бензиновые двигатели — нет. Поэтому для электродвигателя не составляет труда осуществлять рекуперативное торможение (просто поменяйте направление потоков энергии).
  1. То есть дело не в том, что это невозможно реализовать на обычном руле, а в том, что это не оправдывает вложенных средств и поэтому не имеет практического смысла для транспортных средств, не работающих на электричестве? В этом есть смысл.
  1. В других ответах перечисляются большинство форм рекуперативного торможения, например, распространённая система «Использовать трение генератора в качестве сопротивления (таким образом, транспортное средство замедляется и заряжает плотные источники, такие как усовершенствованный стекломат). wikipedia.org/wiki/Маховик_для_накопления_энергии часто используется в электромеханических системах. Вопрос: Что мешает использовать маховик моторного блока для рекуперативного торможения? Дело в том, что традиционные распределительные валы не могут закрыть оба клапана, и поэтому часть мощности теряется в выхлопной системе? Помощник'
  1. Это вопрос экономии. В электромобиле или гибриде уже есть аккумулятор и электродвигатель, поэтому для установки рекуперативного торможения нужно лишь настроить тормоза. Это всё ещё довольно сложно (например, рекуперативное торможение имеет совершенно разную мощность на разных скоростях — на низких скоростях оно практически не работает, поэтому его всё равно нужно дополнять обычными тормозами), но не очень трудоёмко. Чтобы добавить то же самое в «обычный» автомобиль, вам нужно будет установить дополнительный двигатель, аккумуляторы, более совершенную трансмиссию... Вполне возможно, что из-за веса и капитальных затрат вы останетесь в убытке.
  1. Конечно. Мне, как человеку без технического образования, было бы интересно узнать.
  1. Если кто-нибудь не опередит меня, я напишу ответ, в котором объясню, почему, по моему мнению, это невозможно, когда у меня будет возможность сесть за компьютер. На 5-дюймовом экране писать немного неудобно. Я не инженер-автомобилестроитель, но вижу некоторые препятствия на пути к тому, что вы предлагаете.
  1. Это было бы очевидным решением, но вы хотите сказать, что невозможно разработать систему рекуперативного торможения для негибридных автомобилей?
  1. Я хочу сказать, что если вы установите систему рекуперативного торможения на свой автомобиль с трансмиссией, напрямую подключённой к двигателю внутреннего сгорания, то вам, скорее всего, придётся переделать его в гибрид, чтобы использовать энергию, вырабатываемую тормозами при замедлении.
  1. Я не понимаю, как это работает, поэтому не могу понять, почему нельзя преобразовать энергию, которую мы сейчас тратим впустую при торможении, во что-то более полезное без использования электродвигателя?
  1. Верно. Как это сделать без электродвигателя и более надёжной аккумуляторной системы?
  1. Идея состоит в том, чтобы снизить расход топлива и/или увеличить мощность двигателя за счёт дополнительной энергии, получаемой от тормозов.
  1. Поскольку двигатель уже достаточно хорошо заряжает аккумулятор, что бы вы сделали с энергией, полученной при торможении? Какую проблему решает рекуперативное торможение в обычном автомобиле, работающем исключительно на двигателе внутреннего сгорания?
Вы уже ответили на этот вопрос