Система рекуперативного торможения volkswagen

Обновлено: 03.07.2024

Понять, что такое рекуперативное торможение в электромобилях совсем не сложно, для этого нужно лишь обратить внимание на основные характеристики этого вида транспорта.

В отличие от машин с ДВС, где важным фактором является динамика, большинство электромобилей выбирают по запасу хода.

И вот именно этот показатель и можно увеличить с помощью рекуперативной тормозной системы.

Рис. 1. Схема рекуперации энергии в электромобиле.

Что такое рекуперативная система?

Технологию рекуперативного торможения используют не только электрические машины, но и автомобили с бензиновым или дизельным мотором (гибриды).

Основанием для её разработки стали высокие цены на топливо и стремление снизить расходы.

Автопроизводители искали варианты решения проблемы, одним из которых стало получение энергии из процесса торможения.

Возвращая часть затраченной на торможение энергии, она расходует полученное электричество на разгон транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания.

Рекуперация на электромобиле имеет одно серьёзное отличие – выработанная электроэнергия не тратится сразу, а может аккумулироваться.

Это позволяет подзаряжать аккумулятор, а запас хода увеличивается, хотя и незначительно. В то же время для электрического транспорта, который непросто подзарядить в дороге, даже этот небольшой заряд может оказаться решающим.

Принцип работы

Работу системы рекуперации электрической энергии можно описать следующим образом:

При торможении электромобиля его силовой агрегат отключается от источника питания (аккумулятора) и переходит в генераторный режим, самостоятельно вырабатывая энергию.
В таком режиме в обмотках ротора и статора возникают противоположно направленные токи.
На валу электромотора возникает тормозной момент. Он обеспечивает торможение транспортного средства, снижая скорость.
Одновременно с этим запасённая машиной кинетическая энергия переходит в электроэнергию и тепло.
Электрическая энергия поступает в аккумулятор, увеличивая его заряд.
Чем чаще тормозит автомобиль, тем больше заряжается его аккумуляторная батарея.

Система рекуперативного торможения получила распространение, в первую очередь, при поездках на транспорте, оборудованном электродвигателями постоянного тока.

Следует отметить, что она применяется не для полного торможения состава, масса которого слишком большая, чтобы компенсировать её таким способом, а лишь для небольшого снижения скорости.

Однако тормозной момент создаётся достаточно большой, и экономия в течение года только для одного состава достигает сотен тысяч гривен.

Проблемы небольших электромобилей

В отличие от тяжёлых и перемещающихся на высокой скорости электропоездов, получившие такую систему электромобили не получают таких же преимуществ:

В городе, особенно при движении в плотном потоке, электромобиль практически не может нормально разогнаться (даже при хороших динамических характеристиках, как у Tesla Model S).
Рекуперация мало эффективна, так как скорость в начале торможения небольшая (до 60 км/ч), а масса автомобиля не превышает 1-2 т.
Энергии вырабатывается мало, и запас хода увеличивается незначительно.
Стоимость установки оборудования, обеспечивающего рекуперацию достаточно большая, а из-за низкой эффективности работы рекуперации она почти не окупается.

Важно: Ситуация немного улучшается при движении с горки и торможениях на высокой скорости. Но так разогнаться электромобили могут только за городом. А большинство доступных по цене электрических моделей не обладает запасом хода для загородных поездок и динамикой для нормального разгона.

Эффективность рекуперативного торможения

Использующую рекуперацию тормозную систему нельзя назвать достаточно эффективной.

Хотя её КПД довольно большой – производители электромобилей и другого электрического транспорта (велосипедов, мопедов и грузовых авто) называют цифру в 60-70% возврата.

При этом первые 10-20% теряются сразу, при захвате кинетической энергии – ещё примерно такое же количество аккумулятор недополучает в процессе преобразования в электроэнергию.

С одной стороны, показатель достаточно большой – 70% кинетической энергии подзаряжают аккумулятор электромобиля.

Запас хода увеличивается, и транспортное средство может проехать дальше на одном заряде.

С другой стороны, кинетической энергии на торможение тратится немного, и цифры нельзя назвать впечатляющими.

Рис. 3. Индикация системы рекуперации модели Volkswagen e-Golf.

Владельцы автомобилей Tesla Model S говорят, что во время поездок по городу пользы от системы рекуперативного торможения практически нет.

Заметить её влияние получается только при поездке по холмистой местности, когда водителю приходится тормозить во время спуска.

Иногда запас хода транспортного средства увеличивается при этом на 15-20%.

Рис. 4. Тормоза премиального электромобиля Tesla Model S.

Перспективы использования рекуперации

Повысить эффективность рекуперативной системы позволяет её использование не только при торможении, но и во время обычной поездки.

Предполагается, что энергия будет возвращаться благодаря инновационной подвеске, которую уже разрабатывают компании Levant Power и ZF.

В будущем такими устройствами могут оснащаться все серийно выпускаемые авто.

Принцип действия системы в подвеске следующий:

Рекуперативное устройство будет состоять из небольшого электромотора, 4 электрогидравлических насосов и управляющего блока.
Приспособление будет устанавливаться возле амортизаторов каждого автомобильного колеса.
При движении входящего в конструкцию штока кинетическая энергия будет переходить в электрическую.
Полученная электроэнергия будет передаваться к аккумулятору электромобиля. Если устройство будет устанавливаться на машинах с ДВС, энергия поступит в их электрическую сеть.

Совместная работа рекуперативной системы торможения и устройств, аккумулирующих энергию от обычного движения, должна повысить эффективность примерно вдвое. Однако проект пока находится в разработке. До его завершения и, тем более, установки на серийные авто, может пройти несколько лет.

Выводы

Возможность возвращать хотя бы часть потраченной на торможение энергии и дальнейшее развитие технологий в этом направлении позволяет рассчитывать, что электромобили в будущем станут ещё эффективнее.

Запас хода даже бюджетного электрического транспорта увеличится до 150-200 км, и на таком авто можно будет ездить целый день без подзарядки.

В то же время эффективность рекуперации на компактных электрических авто, таких как Chevrolet Bolt, Hyundai Ioniq или Nissan Leaf, всё равно останется небольшой.

Намного заметнее увеличение запаса хода на грузовиках с электромоторами и на тяжёлых электромобилях типа Tesla Model X, вес которого даже без водителя достигает 2,4 т.

Дмитрий Шульпин

Всем привет, меня зовут Дмитрий. Вот уже три года я живу в Калифорнии, в городе Ирвайн. Здесь поблизости располагаются пять дизайн-центров разных автомобильных компаний (включая Теслу), вовсю катаются закамуфлированные прототипы, а новинки частенько появляются раньше, чем где-либо. Словом, жизнь кипит! И не так давно мне посчастливилось познакомиться с электрическим кроссовером Volkswagen ID.4. Его продажи совсем недавно стартовали в Европе и Китае, а сейчас машины немецкого производства начали поступать к дилерам в США. Как Volkswagen постдизельгейтной эпохи выглядит на фоне конкурентов?

Для начала давайте разберемся, что из себя представляет ID.4. Фактически это электрический одноклассник хорошо знакомого в России Тигуана. По длине (4584 мм) и ширине (1852 мм) ID.4 его немного превосходит, а по высоте (1631 мм), наоборот, чуть уступает ему. В основе лежит модульная платформа MEB, на которой Volkswagen планирует к 2029 году построить 20 миллионов электромобилей по всему миру. Спереди здесь стойки McPherson, сзади — многорычажная подвеска, но если у Тигуана основной привод передний, то ID.4 — заднеприводный. Версия GTX с двумя моторами и полным приводом хоть и представлена, но пока не поступила в продажу ни в Германии, ни в США.

На данных автомобилях устанавливают электрические системы возврата энергии. Как это работает? Сначала немного теории. Любой электродвигатель постоянного тока при подаче на него напряжения начинает вращаться и работать как мотор. Если же раскрутить его вал механическим способом, то на клеммах вырабатывается напряжение. То есть, электромотор может выполнять одновременно две функции: в первом случае двигателя, а во втором генератора. Этот принцип и лег в основу электрических систем рекуперации энергии, который с успехом реализуют на электро- и гибридных автомобилях. Ведь и те и другие изначально оборудованы электродвигателями, которые довольно просто перевести в режим генератора. Принцип работы таких систем достаточно прост:

Достоинствами применения электрических систем рекуперации энергии являются:

для электромобилей – увеличение автономности без очередной подзарядки аккумуляторных батарей;
для гибридных транспортных средств – снижение расхода топлива.

Система рекуперации энергии торможения (KERS)

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:

Принцип работы механической системы KERS доступно показан на видео-модели:

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 :

В спортивных болидах система KERS устроена следующим образом:

В качестве промежуточного результата адаптации системы рекуперации KERS на обычные автомобили, можно привести технологию i-ELOOP от компании Mazda:

SMART системы рекуперации

Система рекуперации с накопительным конденсатором

Период торможения автомобиля длится достаточно короткое время. Поэтому из-за технологических особенностей устройства современных аккумуляторных батарей (а вернее химических процессов, происходящих при их подзарядке) сохранить большое количество энергии в них довольно трудно. Компания Mazda разработала систему рекуперации с использованием накопительного конденсатора. В процессе торможения специальный генератор с напряжением 12÷25 В за короткий отрезок времени заряжает емкость. Далее накопленная энергия через конвертор (DC/DC) преобразуется в привычные 12 В и поступает либо на различные потребители (кондиционер, CD-плейер и так далее), либо подзаряжает штатную аккумуляторную батарею. По утверждению производителя экономия топлива составляет не менее 10%.

Механическая рекуперация

Механический способ рекуперации кинетической энергии:

Для информации! Экспериментальный прототип Volvo S60 с карбоновым маховиком Ø=20 см и весом всего 6 кг) разгонялся до скорости в 100 км/час всего за 5,5 сек. При испытаниях в так называемом городском цикле (с большим количеством остановок) экономия топлива составила 25% (по сравнению с базовой комплектацией).

В настоящее время такой вид рекуперации энергии нашел свое практическое применение только в болидах Формулы-1, а также в эксклюзивных моделях от Porsche и Ferrari. Но инженеры-автомобилестроители считают, что в будущем такие системы могут быть установлены и на обычных городских легковых автомобилях.

Насколько хорошо рекуперативное торможение

(визуализация работы системы рекуперация энергии торможения в машинах VW — Volkswagen)

Гидравлическая система рекуперации

Автомобиль с гидравлической системой рекуперации энергии оборудован специальным мотором-помпой и двумя гидро аккумуляторами (низкого и высокого давления). Принцип работы:

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.