Каждый раз, когда вы нажимаете на тормоза своего автомобиля, вы тратите энергию впустую. Физика говорит нам, что энергию нельзя уничтожить. Поэтому, когда ваша машина замедляется, кинетическая энергия, которая двигала ее вперед, должна куда-то деваться. Большая его часть просто рассеивается в виде тепла и становится бесполезной. Эта энергия, которая могла бы быть использована для выполнения работы, практически тратится впустую.
Есть ли что-нибудь, что вы, водитель, можете сделать, чтобы перестать тратить эту энергию впустую? Не совсем. В большинстве автомобилей это неизбежный побочный эффект торможения, и вы не можете вести машину, не нажимая время от времени на тормоза. Но автомобильные инженеры много думали над этой проблемой и придумали своего рода тормозную систему, которая может улавливать большую часть кинетической энергии автомобиля и преобразовывать ее в электричество, чтобы ее можно было использовать для подзарядки автомобильных аккумуляторов. Эта система называется рекуперативным торможением.
В настоящее время такие тормоза в основном используются в гибридных автомобилях, таких как Toyota Prius, и в полностью электрических автомобилях, таких как Tesla Roadster. В таких транспортных средствах поддержание заряда аккумулятора имеет большое значение. Однако эта технология впервые была использована в троллейбусах, а затем нашла применение в таких неожиданных областях, как электрические велосипеды и даже гоночные автомобили Формулы-1.
В традиционной тормозной системе тормозные колодки создают трение с тормозными дисками, чтобы замедлить или остановить автомобиль. Между замедленными колесами и поверхностью дороги возникает дополнительное трение. Это трение превращает кинетическую энергию автомобиля в тепло. С другой стороны, при рекуперативных тормозах система, управляющая транспортным средством, выполняет большую часть торможения. Когда водитель нажимает на педаль тормоза электрического или гибридного транспортного средства, эти типы тормозов переводят электродвигатель транспортного средства в реверсивный режим, заставляя его двигаться назад, тем самым замедляя колеса автомобиля. При движении назад двигатель также действует как электрический генератор, производя электричество, которое затем подается в аккумуляторы автомобиля. Эти типы тормозов работают лучше на определенных скоростях, чем на других. На самом деле, они наиболее эффективны в ситуациях вождения с частыми остановками. Однако гибриды и полностью электрические автомобили также имеют фрикционные тормоза в качестве своего рода резервной системы в ситуациях, когда рекуперативное торможение просто не обеспечивает достаточной тормозной силы. В таких случаях водителям важно знать, что педаль тормоза может по-разному реагировать на нажатие. Иногда педаль вдавливается в пол сильнее, чем обычно, и это ощущение может вызвать кратковременную панику у водителей.
На следующих страницах мы более подробно рассмотрим, как работает система рекуперативного торможения, и обсудим причины, по которым рекуперативное торможение более эффективно, чем обычная фрикционная тормозная система.
Содержание
Рекуперативное торможение используется в транспортных средствах с электродвигателями, в первую очередь в полностью электрических транспортных средствах и гибридных электрических транспортных средствах. Одним из наиболее интересных свойств электродвигателя является то, что когда он вращается в одном направлении, он преобразует электрическую энергию в механическую, которая может быть использована для выполнения работы (например, для вращения колес автомобиля), но когда двигатель вращается при движении в противоположном направлении правильно спроектированный двигатель становится электрическим генератором, преобразующим механическую энергию в электрическую. Затем эту электрическую энергию можно подавать в систему зарядки автомобильных аккумуляторов.
В системе рекуперативного торможения хитрость, позволяющая заставить двигатель вращаться назад, заключается в использовании импульса транспортного средства в качестве механической энергии, которая включает двигатель в обратном направлении. Импульс — это свойство, которое удерживает транспортное средство в движении после того, как оно набрало скорость. После реверса двигателя электричество, вырабатываемое двигателем, возвращается в аккумуляторы, где его можно использовать для повторного ускорения автомобиля после его остановки. Сложная электронная схема необходима, чтобы решить, когда двигатель должен дать задний ход, в то время как специальные электрические схемы направляют электричество, вырабатываемое двигателем, в аккумуляторы автомобиля. В некоторых случаях энергия, производимая этими типами тормозов, сохраняется в серии конденсаторов для последующего использования. Кроме того, поскольку транспортные средства, использующие такие тормоза, также имеют стандартную фрикционную тормозную систему, электроника транспортного средства должна решать, какая тормозная система подходит и в какое время. Поскольку в системе рекуперативного торможения очень многое контролируется электроникой, водитель даже может выбирать определенные предустановки, определяющие реакцию автомобиля в различных ситуациях. Например, в некоторых транспортных средствах водитель может выбрать, должно ли рекуперативное торможение начинаться немедленно, как только нога водителя отрывается от педали акселератора, и будет ли тормозная система разгонять автомобиль до 0 миль в час (0 километров в час) или позволит автомобиль слегка наклоняется.
В автомобильной промышленности наблюдается общее движение к так называемым системам торможения по проводам, в которых многие функции тормозов, которые традиционно выполнялись механически, будут выполняться с помощью электроники. Гибриды и электромобили, вероятно, будут первыми, кто применит эти типы тормозов. В настоящее время разные автомобильные инженеры придумали разные схемы, чтобы справиться со сложностями рекуперативного торможения; однако во всех случаях самой важной частью схемы торможения является контроллер торможения, который мы обсудим в следующем разделе.
Тормозные контроллеры — это электронные устройства, которые могут дистанционно управлять тормозами, решая, когда начинается и заканчивается торможение, и как быстро нужно тормозить. В ситуациях буксировки, например, тормозные контроллеры могут обеспечить средства координации тормозов на прицепе с тормозами на транспортном средстве, выполняющем буксировку.
Рекуперативное торможение реализовано совместно с антиблокировочной системой тормозов (ABS), поэтому контроллер рекуперативного торможения подобен контроллеру ABS, который отслеживает скорость вращения колес и разницу этой скорости с
одно колесо к другому. В транспортных средствах, использующих такие тормоза, контроллер тормозов не только отслеживает скорость вращения колес, но и может рассчитать, какой крутящий момент (сила вращения) доступен для выработки электроэнергии, возвращаемой в аккумуляторы. Во время торможения контроллер тормоза направляет электроэнергию, вырабатываемую двигателем, на батареи или конденсаторы. Это гарантирует, что батареи получают оптимальное количество энергии, но также гарантирует, что приток электроэнергии не превышает возможности батарей.
Однако наиболее важной функцией контроллера тормозов может быть определение того, способен ли двигатель в настоящее время выдерживать усилие, необходимое для остановки автомобиля. Если это не так, контроллер тормозов передает работу фрикционным тормозам, предотвращая возможную катастрофу. В транспортных средствах, которые используют эти типы тормозов, а также любой другой элемент электроники на борту гибридного или электрического автомобиля, тормозной контроллер делает возможным весь процесс рекуперативного торможения.
Чем гибридный автомобиль отличается от полностью электрического автомобиля? Что ж, гибридные электромобили используют как электродвигатель, так и двигатель внутреннего сгорания, чтобы обеспечить лучший опыт вождения. Они сочетают в себе запас хода двигателя внутреннего сгорания с топливной экономичностью и отсутствием вредных выбросов электродвигателя. Если гибрид должен иметь максимальную топливную экономичность и производить как можно меньше выбросов углерода, важно, чтобы аккумулятор оставался заряженным как можно дольше. Если аккумулятор гибридного автомобиля разряжается, двигатель внутреннего сгорания будет полностью нести ответственность за питание автомобиля. В этот момент транспортное средство больше не действует как гибрид, а просто еще один автомобиль, работающий на ископаемом топливе.
Автомобильные инженеры придумали ряд уловок, чтобы выжать из гибридов максимальную эффективность, таких как аэродинамическая обтекаемость кузова и использование легких материалов, но, возможно, одним из самых важных является рекуперативное торможение. Однако в гибридной установке эти типы тормозов могут обеспечивать питание только электродвигателя трансмиссии через аккумулятор автомобиля. Внутреннее сгорание
двигатель не получает никаких преимуществ от таких тормозов.
Отчасти такая эффективность необходима из-за крайней сложности поиска места для подзарядки гибрида. Это затрудняет длительные поездки без двигателя внутреннего сгорания гибрида, что фактически сводит на нет некоторые преимущества владения гибридом.
Далее мы узнаем о новом взгляде на идею рекуперативного торможения.
Альтернативная система рекуперативного торможения разрабатывается Ford Motor Company и Eaton Corporation. Он называется Гидравлический усилитель мощности. или HPA . В HPA, когда водитель нажимает на тормоз, кинетическая энергия автомобиля используется для питания реверсивного насоса, который направляет гидравлическую жидкость из аккумулятора низкого давления (своего рода накопительный бак) внутри автомобиля в аккумулятор высокого давления. Давление создается газообразным азотом в аккумуляторе, который сжимается по мере того, как жидкость закачивается в пространство, ранее занятое газом. Это замедляет транспортное средство и помогает остановить его. Жидкость остается под давлением в аккумуляторе до тех пор, пока водитель снова не нажмет на педаль акселератора, после чего насос реверсируется, и жидкость под давлением используется для ускорения автомобиля, эффективно переводя кинетическую энергию, которая была у автомобиля до торможения, в механическую энергию, которая помогает восстановить скорость автомобиля. Предполагается, что такая система сможет сохранять 80 процентов импульса, потерянного транспортным средством во время торможения, и использовать его для повторного движения транспортного средства [источник:HybridCars.com]. Этот процент представляет собой еще более впечатляющий выигрыш, чем то, что производят современные системы рекуперативного торможения. Подобно электронному рекуперативному торможению, такие виды тормозов – системы HPA – лучше всего подходят для движения по городу, где часто возникают пробки.
До сих пор системы HPA использовались в основном для проверки концепции и только в демонстрационных проектах. Они еще не совсем готовы для серийных моделей. В настоящее время эти гидравлические тормоза шумные и подвержены утечкам; однако, как только все детали будут улажены, такие системы, вероятно, будут наиболее полезными в больших грузовиках весом 10 000 фунтов (4 536 кг) и более, где эти типы тормозов могут оказаться более оптимальной системой, чем рекуперативные тормоза с электронным управлением.
В конце концов, эта технология может распространиться и на автомобили меньшего размера. Одна компания, Hybrid-Drive Systems, LLC из Мичигана, модернизировала Volkswagen Beetle 1968 года выпуска с помощью гидравлической рекуперативной тормозной системы. Однако аккумуляторы занимают много места, и будущие производственные планы больше сосредоточены на использовании этой технологии в более крупных транспортных средствах, таких как фургоны. Тем временем Агентство по охране окружающей среды США (EPA) в партнерстве с корпорацией Eaton установило гидравлические системы рекуперативного торможения на грузовиках UPS.
Энергоэффективность обычного автомобиля составляет всего около 20 процентов, а остальные 80 процентов его энергии преобразуются в тепло посредством трения. Чудо в рекуперативном торможении заключается в том, что оно может улавливать до половины этой потраченной впустую энергии и возвращать ее в работу. Это может снизить расход топлива на 10-25 процентов. Гидравлические системы рекуперативного торможения могут обеспечить еще более впечатляющий выигрыш, потенциально снижая расход топлива на 25–45 процентов [источник:HybridCars.com]. В столетие, которое может увидеть конец
из огромных запасов ископаемого топлива, которые в течение многих лет снабжали нас энергией для автомобильной и других технологий, и в которых опасения по поводу выбросов углерода достигают пика, эта дополнительная эффективность становится все более важной.
Начало 21 века вполне может ознаменовать собой последний период, когда двигатели внутреннего сгорания стали широко использоваться в автомобилях. Автопроизводители уже переходят на альтернативные энергоносители,
таких как электрические батареи, водородное топливо и даже сжатый воздух. Рекуперативное торможение — это небольшой, но очень важный шаг к нашей возможной независимости от ископаемого топлива. Такие тормоза позволяют использовать аккумуляторы в течение более длительного периода времени без необходимости подключения к внешнему зарядному устройству. Эти типы тормозов также увеличивают запас хода полностью электрических транспортных средств. На самом деле, эта технология уже помогла нам создать такие автомобили, как Tesla Roadster, полностью работающие от батареи. Конечно, эти автомобили могут использовать ископаемое топливо на стадии подзарядки, то есть, если источником электроэнергии является ископаемое топливо, такое как уголь, но когда они находятся на дороге, они могут работать бесполезно. ископаемого топлива вообще, и это большой шаг вперед.
Дополнительная эффективность рекуперативного торможения также означает меньше проблем с заправкой, поскольку гибриды с электродвигателями и рекуперативными тормозами могут проехать значительно дальше на галлоне бензина, а некоторые на этом этапе достигают более 50 миль на галлоне. И это то, что большинство водителей действительно ценят.
На этой простой диаграмме показано, как система рекуперативного торможения способна регенерировать часть кинетической энергии автомобиля и преобразовывать ее в электричество. Затем это электричество используется для подзарядки аккумуляторов автомобиля.
Чтобы узнать больше о тормозных системах и связанных с ними автомобильных темах, перейдите по ссылкам на следующей странице.
Первоначально опубликовано:23 января 2009 г.
Как работает ваша тормозная система
Как выполняется ремонт вмятин без покраски
Принцип работы тормозной системы
Как работает дизельный двигатель
Как работает спидометр