Ako funguje rekuperačné brzdenie v elektrických vozidlách

Brzdenie je jedným z dôležitých aspektov vozidla. Mechanický brzdový systém, ktorý používame v našich vozidlách, má veľkú nevýhodu v plytvaní kinetickou energiou vozidla ako teplo. To znižuje celkovú účinnosť vozidla ovplyvnením spotreby paliva. V mestskom jazdnom cykle máme tendenciu častejšie štartovať a zastavovať vozidlo v porovnaní s jazdným cyklom na diaľnici. Pretože v mestskom jazdnom cykle brzdíme často, straty energie sú väčšie. Inžinieri prišli s rekuperačným brzdovým systémomna získanie kinetickej energie rozptýlenej ako teplo pri brzdení tradičnou brzdnou metódou. Podľa fyzikálnych zákonov nemôžeme obnoviť všetku stratenú kinetickú energiu, ale stále môžeme značné množstvo kinetickej energie premieňať a ukladať v batériách alebo superkondenzátoroch. Získaná energia pomáha pri zlepšovaní spotreby paliva u konvenčných vozidiel a pri rozširovaní dojazdu u elektrických vozidiel. Je potrebné poznamenať, že proces rekuperačného brzdenia má straty pri spätnom získavaní kinetickej energie. Než pôjdete ďalej, môžete si tiež prečítať ďalší zaujímavý článok o EV:

• Úvod inžiniera do elektrických vozidiel (EV)
• Typy motorov používaných v elektrických vozidlách

Koncept rekuperačného brzdenia môže byť realizovaný v konvenčných vozidiel využívajúcich zotrvačníkov. Zotrvačníky sú disky s vysokou zotrvačnosťou, ktoré sa otáčajú veľmi vysokou rýchlosťou. Fungujú ako zariadenie na ukladanie mechanickej energie tým, že počas brzdenia zachytávajú (ukladajú) kinetickú energiu vozidla. Energiu získanú počas brzdenia je možné použiť na pomoc vozidlu pri rozjazde alebo pri jazde do kopca.

U elektrických vozidiel môžeme rekuperačné brzdenie začleniť oveľa efektívnejšie elektronicky. Tým sa zníži potreba ťažkých zotrvačníkov, čo zvyšuje celkovú hmotnosť vozidla. Elektrické vozidlá majú medzi užívateľmi inherentný problém úzkosti z dojazdu. Aj keď je priemerná rýchlosť vozidla v mestskom jazdnom cykle okolo 25 - 40 km / h, časté zrýchlenie a brzdenie čoskoro vybijú batériu. Vieme, že motory môžu za určitých podmienok pôsobiť ako generátor. Použitím tejto funkcie je možné zabrániť plytvaniu kinetickou energiou vozidla. Keď zabrzdíme elektrické vozidlá, ovládač motora (na základe výkonu snímača brzdového pedálu) zníži výkon alebo zastaví motor. Počas tejto operácie je ovládač motora navrhnutý naznovu získať kinetickú energiu a uložiť ju v batérii alebo v kondenzátoroch. Rekuperačné brzdenie pomáha predĺžiť dojazd elektrického vozidla o 8 - 25%. Okrem úspory energie a rozšírenia dojazdu pomáha aj pri efektívnej kontrole brzdenia.

V mechanickom brzdovom systéme je na koleso vyvíjaný spätný krútiaci moment, keď stláčame brzdový pedál. Podobne sa v režime regeneratívneho brzdenia rýchlosť vozidla zníži vyvolaním záporného krútiaceho momentu (v rozpore s pohybom) v motore pomocou ovládača motora. Ľudia sú niekedy zmätení, keď si predstavia koncept, že motor funguje ako generátor, keď sa v režime rekuperačného brzdenia otáča v opačnom smere. V tomto článku možno pochopiť, ako získať späť kinetickú energiu metódou regeneratívneho brzdenia v elektrických vozidlách.

Ako funguje motor ako generátor

Najprv sa zameriame na pochopenie toho, ako môže motor pôsobiť ako generátor. Všetci sme použili jednosmerný motor s permanentným magnetom v robotických aplikáciách, ako je napríklad line lineer. Keď sa koleso robota pripojeného k motoru voľne otáča (externe ručne), niekedy sa poškodí IC ovládača motora. Stáva sa to preto, lebo motor funguje ako generátor a vygenerované spätné EMF (spätné napätie väčšej veľkosti) sa aplikuje na integrovaný obvod vodiča, čo ho poškodí. Keď otočíme kotvu v týchto motoroch, odreže tok z permanentných magnetov. V dôsledku toho sa EMF indukuje, aby sa postavil proti zmene toku. Preto môžeme merať napätie na svorkách motora. Je to preto, lebo zadný EMF je funkciou rýchlosti rotora (ot./min). Ak sú otáčky väčšie a ak je generovaný spätný emf viac ako napájacie napätie, potom motor funguje ako generátor. Pozrime sa terazako tento princíp funguje v elektrických vozidlách, aby sa zabránilo strate energie v dôsledku brzdenia.

Keď motor akceleruje vozidlo, kinetická energia s ním spojená rastie ako druhá mocnina rýchlosti. Počas dojazdu sa vozidlo zastaví, keď sa kinetická energia stane nulovou. Keď v elektrickom vozidle zabrzdíme, ovládač motora pracuje tak, že motor uvedie do pokojného stavu alebo zníži jeho rýchlosť. To zahŕňa obrátenie smeru krútiaceho momentu motora do smeru otáčania. Počas tohto procesu generuje rotor motora pripojeného k hnacej náprave EMF v motore (analogicky s hnacím motorom / turbínou poháňajúcou rotor generátora). Keď je generovaný EMF viac ako napätie kondenzátorovej banky, prúdi výkon z motora do banky. Takto získaná energia je uložená v batérii alebo v kondenzátorovej banke.

Ako funguje regeneratívne brzdenie v elektrickom vozidle

Uvažujme, že auto má ako motor pohonu trojfázový indukčný motor na striedavý prúd. Z charakteristík motora vieme, že keď trojfázový indukčný motor beží nad svojou synchrónnou rýchlosťou, sklz sa stáva záporným a motor funguje ako generátor (alternátor). Za praktických okolností sú otáčky indukčného motora vždy nižšie ako synchrónne otáčky. Synchrónne otáčkyje rýchlosť rotujúceho magnetického poľa statora produkovaná v dôsledku interakcie trojfázového napájania. V čase spustenia motora je EMF indukovaný v rotore maximálny. Keď sa motor začne otáčať, indukovaný EMF klesá ako funkcia šmyku. Keď rýchlosť rotora dosiahne synchrónnu rýchlosť, indukovaný EMF je nulový. V tomto okamihu, ak sa pokúsime otočiť rotor nad túto rýchlosť, bude indukovaný EMF. V takom prípade motor dodáva aktívny výkon späť do siete alebo do siete. Brzdou znižujeme rýchlosť vozidla. V takom prípade nemôžeme očakávať, že otáčky rotora prekročia synchrónne otáčky. To je miesto, kde prichádza na scénu úloha ovládača motora. Z dôvodu porozumenia môžeme vizualizovať ako príklad uvedený nižšie.

Predpokladajme, že motor sa točí pri 5900 ot / min a napájacia frekvencia je 200 Hz, keď použijeme brzdu, musíme otáčky znížiť alebo ich znížiť na nulu. Regulátor koná podľa vstupu zo senzora brzdového pedála a vykonáva túto činnosť. Počas tohto procesu nastaví regulátor napájaciu frekvenciu menšiu ako 200 Hz, napríklad 80 Hz. Preto sa synchrónna rýchlosť motora stane 2400 ot./min. Z pohľadu ovládača motora sú otáčky motora väčšie ako jeho synchrónne otáčky. Pretože počas brzdenia znižujeme otáčky, motor teraz funguje ako generátor, kým otáčky neklesnú na 2400. Počas tejto doby môžeme z motora odobrať energiu a uložiť ju do batérie alebo kondenzátora.Je potrebné poznamenať, že batéria naďalej dodáva energiu trojfázovým indukčným motorom počas procesu rekuperačného brzdenia. Je to preto, lebo indukčné motory nemajú zdroj magnetického toku, keď je napájanie vypnuté. Preto motor, keď pôsobí ako generátor, odoberá zo zdroja jalový výkon, aby vytvoril väzbu toku a dodáva mu späť aktívny výkon. U rôznych motorov je princíp rekuperácie kinetickej energie počas rekuperačného brzdenia odlišný. Motory s permanentnými magnetmi môžu fungovať ako generátor bez akéhokoľvek napájania, pretože má v rotore magnety, ktoré vytvárajú magnetický tok. Podobne málo motorov má v sebe zvyškový magnetizmus, ktorý eliminuje vonkajšie budenie potrebné na vytvorenie magnetického toku.Je to preto, lebo indukčné motory nemajú zdroj magnetického toku, keď je napájanie vypnuté. Preto motor, keď pôsobí ako generátor, odoberá zo zdroja jalový výkon, aby vytvoril väzbu toku a dodáva mu späť aktívny výkon. U rôznych motorov je princíp rekuperácie kinetickej energie počas rekuperačného brzdenia odlišný. Motory s permanentnými magnetmi môžu fungovať ako generátor bez akéhokoľvek napájania, pretože má v rotore magnety, ktoré vytvárajú magnetický tok. Podobne málo motorov má v sebe zvyškový magnetizmus, ktorý eliminuje vonkajšie budenie potrebné na vytvorenie magnetického toku.Je to preto, lebo indukčné motory nemajú zdroj magnetického toku, keď je napájanie vypnuté. Preto motor, keď pôsobí ako generátor, odoberá zo zdroja jalový výkon, aby vytvoril väzbu toku a dodáva mu späť aktívny výkon. U rôznych motorov je princíp rekuperácie kinetickej energie počas rekuperačného brzdenia odlišný. Motory s permanentnými magnetmi môžu fungovať ako generátor bez akéhokoľvek napájania, pretože má v rotore magnety, ktoré vytvárajú magnetický tok. Podobne málo motorov má v sebe zvyškový magnetizmus, ktorý eliminuje vonkajšie budenie potrebné na vytvorenie magnetického toku.princíp rekuperácie kinetickej energie počas rekuperačného brzdenia je odlišný. Motory s permanentnými magnetmi môžu fungovať ako generátor bez akéhokoľvek napájania, pretože má v rotore magnety, ktoré vytvárajú magnetický tok. Podobne málo motorov má v sebe zvyškový magnetizmus, ktorý eliminuje vonkajšie budenie potrebné na vytvorenie magnetického toku.princíp rekuperácie kinetickej energie počas rekuperačného brzdenia je odlišný. Motory s permanentnými magnetmi môžu fungovať ako generátor bez akéhokoľvek napájania, pretože má v rotore magnety, ktoré vytvárajú magnetický tok. Podobne málo motorov má v sebe zvyškový magnetizmus, ktorý eliminuje vonkajšie budenie potrebné na vytvorenie magnetického toku.

Vo väčšine elektrických vozidiel je elektromotor pripojený iba k jednej hnacej náprave (väčšinou k hnacej náprave zadných kolies). V takom prípade musíme použiť mechanický brzdový systém (hydraulické brzdenie) pre predné kolesá. To znamená, že ovládač musí počas brzdenia udržiavať koordináciu medzi mechanickým aj elektronickým brzdovým systémom.

Oplatí sa rekuperačné brzdenie implementovať do všetkých elektrických vozidiel?

V koncepcii metódy rekuperačného brzdenia nie je pochýb o potenciáli rekuperácie energie, má však tiež určité obmedzenia. Ako už bolo uvedené vyššie, rýchlosť nabíjania batérií je pomalá v porovnaní s rýchlosťou nabíjania batérií. To obmedzuje množstvo regenerovanej energie, ktoré môžu batérie akumulovať pri náhlom brzdení (rýchle spomalenie). Neodporúča sa používať rekuperačné brzdenie za úplne nabitých podmienok. Je to preto, že prebíjanie môže poškodiť batérie, ale elektronický obvod zabráni jeho prebitiu. V takom prípade môže kondenzátorová banka ukladať energiu a pomáhať pri rozširovaní dosahu. Ak tam nie je, potom sa pomocou mechanických bŕzd zastaví vozidlo.

Vieme, že kinetická energia je daná 0,5 * m * v ². Množstvo energie, ktoré môžeme získať, závisí od hmotnosti vozidla a tiež od rýchlosti, akou jazdí. Celková hmotnosť je viac v ťažkých vozidlách, ako sú elektrické automobily, elektrické autobusy a nákladné vozidlá. V mestskom jazdnom cykle by tieto ťažké vozidlá získali veľkú dynamiku po akcelerácii aj napriek tomu, že jazdili nízkou rýchlosťou. Počas brzdenia je teda kinetická energia k dispozícii viac v porovnaní s elektrickým skútrom, ktorý jazdí rovnakou rýchlosťou. Preto je účinnosť rekuperačného brzdenia je v elektrické automobily, autobusy a iných ťažkých vozidiel. Aj keď máloktorý elektrický skúter má funkciu rekuperačného brzdenia, jeho vplyv na systém (množstvo získanej energie alebo predĺžený dojazd) nie je taký efektívny ako v prípade elektromobilov.

Potreba kondenzátorových bánk alebo ultra kondenzátorov

Počas brzdenia musíme okamžite zastaviť alebo znížiť rýchlosť vozidla. Preto je brzdenie v tom okamihu krátke. Batérie majú obmedzený čas nabíjania. Nemôžeme vybíjať viac energie naraz, pretože by sa tak znehodnotili batérie. Okrem toho časté nabíjanie a vybíjanie batérie taktiež skracuje životnosť batérie. Aby sme sa tomu vyhli, pridáme do systému kondenzátorovú banku alebo ultrakondenzátory. Ultra kondenzátory alebo super kondenzátory sa môžu vybíjať a nabíjať po mnoho cyklov bez zníženia výkonu, čo pomáha predĺžiť životnosť batérie. Ultra kondenzátor má rýchlu odozvu, čo pomáha účinne zachytiť energetické špičky / nárazy počas činnosti regeneratívneho brzdenia.Dôvodom pre výber ultrakondenzátora je, že môže skladovať 20-krát viac energie ako elektrolytické kondenzátory. Tento systém obsahuje prevodník DC na DC. Počas akcelerácie umožňuje operácia zosilnenia kondenzátoru vybiť sa až na prahovú hodnotu. Počas spomalenia (tj. Brzdenia) umožňuje funkcia buck nabíjať kondenzátor. Ultra kondenzátory majú dobrú prechodnú odozvu, čo je užitočné pri štartovaní vozidla. Ukladaním regenerovanej energie mimo batérie môže pomôcť pri predĺžení dojazdu vozidla a tiež môže podporiť náhle zrýchlenie pomocou posilňovacieho obvodu.brzdenie) operácia dolára umožňuje kondenzátoru nabíjať. Ultra kondenzátory majú dobrú prechodnú odozvu, čo je užitočné pri štartovaní vozidla. Ukladaním regenerovanej energie mimo batérie môže pomôcť pri predĺžení dojazdu vozidla a tiež môže podporiť náhle zrýchlenie pomocou posilňovacieho obvodu.brzdenie) operácia dolára umožňuje kondenzátoru nabíjať. Ultra kondenzátory majú dobrú prechodnú odozvu, čo je užitočné pri štartovaní vozidla. Ukladaním regenerovanej energie mimo batérie môže pomôcť pri predĺžení dojazdu vozidla a tiež môže podporiť náhle zrýchlenie pomocou posilňovacieho obvodu.