Jak działa hamowanie regeneracyjne w pojazdach elektrycznych

Hamowanie jest jednym z ważnych aspektów pojazdu. Mechaniczny układ hamulcowy, którego używamy w naszych pojazdach ma dużą wadę polegającą na marnowaniu energii kinetycznej pojazdu w postaci ciepła. Obniża to ogólną wydajność pojazdu, wpływając na oszczędność paliwa. W cyklu jazdy miejskiej mamy tendencję do częstszego uruchamiania i zatrzymywania pojazdu w porównaniu do cyklu jazdy po autostradzie. Ponieważ często używamy hamulca w miejskim cyklu jazdy, straty energii są większe. Inżynierowie wymyślili regeneracyjny układ hamulcowyodzyskiwanie energii kinetycznej rozpraszanej w postaci ciepła podczas hamowania w tradycyjnej metodzie hamowania. Kierując się prawami fizyki, nie możemy odzyskać całej utraconej energii kinetycznej, ale nadal znaczną ilość energii kinetycznej można przekształcić i przechowywać w baterii lub superkondensatorze. Odzyskana energia pomaga w poprawie oszczędności paliwa w pojazdach konwencjonalnych i pomaga w zwiększaniu zasięgu w pojazdach elektrycznych. Należy zauważyć, że proces hamowania odzyskowego powoduje straty podczas odzyskiwania energii kinetycznej. Zanim przejdziesz dalej, możesz również zapoznać się z innymi interesującymi artykułami na temat pojazdów elektrycznych:

• Wprowadzenie inżyniera do pojazdów elektrycznych (EV)
• Rodzaje silników stosowanych w pojazdach elektrycznych

Pojęcie hamowania odzyskowego może być realizowany w konwencjonalnych pojazdach wykorzystujących koła latać. Koła zamachowe to dyski o dużej bezwładności, które obracają się z bardzo dużą prędkością. Działają jako urządzenie magazynujące energię mechaniczną, pobierając (magazynując) energię kinetyczną pojazdu podczas hamowania. Energię odzyskaną podczas hamowania można wykorzystać do wspomagania pojazdu podczas ruszania lub podjeżdżania pod górę.

W pojazdach elektrycznych możemy znacznie efektywniej włączyć hamowanie regeneracyjne w sposób elektroniczny. Zmniejszy to potrzebę stosowania ciężkich kół zamachowych, które dodają dodatkową wagę do całkowitej masy pojazdu. Pojazdy elektryczne mają nieodłączny problem niepokoju dotyczącego zasięgu wśród użytkowników. Chociaż średnia prędkość pojazdu w cyklu jazdy miejskiej wynosi około 25-40 km / h, częste przyspieszanie i hamowanie szybko wyczerpuje akumulator. Wiemy, że silniki mogą działać jako generator w określonych warunkach. Korzystając z tej funkcji, można zapobiec marnowaniu energii kinetycznej pojazdu. Kiedy stosujemy hamulec w pojazdach elektrycznych, sterownik silnika (oparty na wyjściu czujnika pedału hamulca) zmniejsza osiągi lub zatrzymuje silnik. Podczas tej operacji sterownik silnika jest do tego przystosowanyodzyskać energię kinetyczną i przechowywać ją w baterii lub bateriach kondensatorów. Hamowanie regeneracyjne pomaga zwiększyć zasięg pojazdu elektrycznego o 8-25%. Oprócz oszczędzania energii i zwiększania zasięgu, pomaga również w skutecznym sterowaniu pracą hamowania.

W mechanicznym układzie hamulcowym odwrotny moment obrotowy jest wywierany na koło, gdy naciskamy pedał hamulca. Podobnie w trybie hamowania odzyskowego prędkość pojazdu jest zmniejszana poprzez inicjowanie ujemnego momentu obrotowego (przeciwnego do ruchu) w silniku za pomocą sterownika silnika. Czasami ludzie są zdezorientowani, gdy wizualizują koncepcję, że silnik działa jak generator, gdy obraca się w odwrotnym kierunku w trybie hamowania regeneracyjnego. W tym artykule można zrozumieć, jak odzyskiwać energię kinetyczną metodą hamowania regeneracyjnego w pojazdach elektrycznych.

Jak silnik działa jako generator

Najpierw skupimy się na zrozumieniu, jak silnik może działać jako generator. Wszyscy używaliśmy silnika prądu stałego z magnesem trwałym w zastosowaniach robotycznych, takich jak popychacz linii. Gdy koło robota podłączonego do silnika obraca się swobodnie (zewnętrznie ręcznie), czasami układ scalony sterownika silnika ulega uszkodzeniu. Dzieje się tak, ponieważ silnik działa jak generator, a generowana tylna EMF (napięcie wsteczne o większej wielkości) jest przykładana do układu scalonego sterownika, co go uszkadza. Kiedy obracamy twornik w tych silnikach, odcina on strumień z magnesów trwałych. W wyniku tego EMF jest indukowany, aby przeciwstawić się zmianie strumienia. Dlatego możemy zmierzyć napięcie na zaciskach silnika. Dzieje się tak, ponieważ tylna siła elektromagnetyczna jest funkcją prędkości wirnika (obr / min). Gdy obroty są większe, a generowane tylne emf jest większe niż napięcie zasilania, silnik działa jak generator. Zobaczmy terazjak ta zasada działa w pojazdach elektrycznych, aby uniknąć strat energii w wyniku hamowania.

Kiedy silnik przyspiesza pojazd, związana z nim energia kinetyczna zwiększa się do kwadratu prędkości. Podczas toczenia pojazd zatrzymuje się, gdy energia kinetyczna spada do zera. Gdy zaciągamy hamulce w pojeździe elektrycznym, sterownik silnika działa tak, aby zatrzymać silnik lub zmniejszyć jego prędkość. Obejmuje to odwrócenie kierunku momentu obrotowego silnika na kierunek obrotów. Podczas tego procesu wirnik silnika połączony z osią napędową generuje pole elektromagnetyczne w silniku (analogicznie do głównego napędu / turbiny napędzającej wirnik generatora). Kiedy generowana EMF jest większa niż napięcie baterii kondensatorów, moc przepływa z silnika do baterii. W ten sposób odzyskana energia jest przechowywana w baterii lub baterii kondensatorów.

Jak działa hamowanie regeneracyjne w pojeździe elektrycznym

Rozważmy, że samochód ma trójfazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego jako silnik napędowy. Z charakterystyki silnika wiemy, że gdy trójfazowy silnik indukcyjny pracuje powyżej swojej prędkości synchronicznej, poślizg staje się ujemny i silnik działa jako generator (alternator). W praktyce prędkość silnika indukcyjnego jest zawsze mniejsza niż prędkość synchroniczna. Synchronicznajest prędkością wirującego pola magnetycznego stojana wytwarzanego w wyniku interakcji zasilania trójfazowego. W momencie uruchomienia silnika, pole elektromagnetyczne indukowane w wirniku jest maksymalne. Gdy silnik zaczyna się obracać, indukowana EMF zmniejsza się w funkcji poślizgu. Kiedy prędkość wirnika osiąga prędkość synchroniczną, indukowana siła elektromagnetyczna wynosi zero. W tym momencie, jeśli spróbujemy obrócić wirnik powyżej tej prędkości, zostanie indukowana EMF. W takim przypadku silnik dostarcza energię czynną z powrotem do sieci lub zasilania. Stosujemy hamulce, aby zmniejszyć prędkość pojazdu. W takim przypadku nie możemy oczekiwać, że prędkość wirnika przekroczy prędkość synchroniczną. W tym miejscu pojawia się rola kontrolera silnika. W celu zrozumienia możemy wizualizować jak na przykładzie podanym poniżej.

Załóżmy, że silnik obraca się z prędkością 5900 obr / min, a częstotliwość zasilania wynosi 200 Hz, gdy zaciągamy hamulec, musimy zmniejszyć obroty lub obniżyć je do zera. Sterownik działa na podstawie sygnału wejściowego z czujnika pedału hamulca i wykonuje tę operację. Podczas tego procesu sterownik ustawi częstotliwość zasilania mniejszą niż 200 Hz, np. 80 Hz. Dlatego synchroniczna prędkość silnika wynosi 2400 obr / min. Z perspektywy sterownika silnika prędkość silnika jest większa niż jego prędkość synchroniczna. Ponieważ zmniejszamy prędkość podczas hamowania, silnik działa teraz jako generator, dopóki obroty nie spadną do 2400. W tym czasie możemy pobierać energię z silnika i przechowywać ją w baterii lub baterii kondensatorów.Należy zauważyć, że akumulator nadal dostarcza energię do trójfazowych silników indukcyjnych podczas procesu hamowania regeneracyjnego. Dzieje się tak, ponieważ silniki indukcyjne nie mają źródła strumienia magnetycznego, gdy zasilanie jest wyłączone. Dlatego silnik, działając jako generator, pobiera moc bierną ze źródła zasilania w celu ustanowienia powiązania strumienia i dostarcza do niego moc czynną. W przypadku różnych silników zasada odzyskiwania energii kinetycznej podczas hamowania regeneracyjnego jest inna. Silniki z magnesami trwałymi mogą działać jako generator bez żadnego źródła zasilania, ponieważ mają magnesy w wirniku wytwarzające strumień magnetyczny. Podobnie niewiele silników ma magnetyzm szczątkowy, który eliminuje zewnętrzne wzbudzenie wymagane do wytworzenia strumienia magnetycznego.Dzieje się tak, ponieważ silniki indukcyjne nie mają źródła strumienia magnetycznego, gdy zasilanie jest wyłączone. Dlatego silnik, działając jako generator, pobiera moc bierną ze źródła zasilania w celu ustanowienia powiązania strumienia i dostarcza do niego moc czynną. W przypadku różnych silników zasada odzyskiwania energii kinetycznej podczas hamowania regeneracyjnego jest inna. Silniki z magnesami trwałymi mogą działać jako generator bez żadnego źródła zasilania, ponieważ mają magnesy w wirniku wytwarzające strumień magnetyczny. Podobnie niewiele silników ma magnetyzm szczątkowy, który eliminuje zewnętrzne wzbudzenie wymagane do wytworzenia strumienia magnetycznego.Dzieje się tak, ponieważ silniki indukcyjne nie mają źródła strumienia magnetycznego, gdy zasilanie jest wyłączone. Dlatego silnik, działając jako generator, pobiera moc bierną ze źródła zasilania w celu ustanowienia powiązania strumienia i dostarcza do niego moc czynną. W przypadku różnych silników zasada odzyskiwania energii kinetycznej podczas hamowania regeneracyjnego jest inna. Silniki z magnesami trwałymi mogą działać jako generator bez żadnego źródła zasilania, ponieważ mają magnesy w wirniku wytwarzające strumień magnetyczny. Podobnie niewiele silników ma magnetyzm szczątkowy, który eliminuje zewnętrzne wzbudzenie wymagane do wytworzenia strumienia magnetycznego.Zasada odzyskiwania energii kinetycznej podczas hamowania odzyskowego jest inna. Silniki z magnesami trwałymi mogą działać jako generator bez żadnego źródła zasilania, ponieważ mają magnesy w wirniku wytwarzające strumień magnetyczny. Podobnie niewiele silników ma magnetyzm szczątkowy, który eliminuje zewnętrzne wzbudzenie wymagane do wytworzenia strumienia magnetycznego.Zasada odzyskiwania energii kinetycznej podczas hamowania odzyskowego jest inna. Silniki z magnesami trwałymi mogą działać jako generator bez zasilania, ponieważ mają magnesy w wirniku wytwarzające strumień magnetyczny. Podobnie niewiele silników ma magnetyzm szczątkowy, który eliminuje zewnętrzne wzbudzenie wymagane do wytworzenia strumienia magnetycznego.

W większości pojazdów elektrycznych silnik elektryczny jest podłączony tylko do pojedynczej osi napędowej (głównie do osi napędowej na tylne koła). W tym przypadku musimy zastosować mechaniczny układ hamulcowy (hamowanie hydrauliczne) przednich kół. Oznacza to, że kontroler musi utrzymywać koordynację między mechanicznym i elektronicznym układem hamulcowym podczas hamowania.

Czy warto wdrożyć hamowanie regeneracyjne we wszystkich pojazdach elektrycznych?

Nie ma wątpliwości co do potencjału odzyskiwania energii w koncepcji metody hamowania odzyskowego, ale ma też pewne ograniczenia. Jak wspomniano wcześniej, szybkość ładowania akumulatorów jest niska w porównaniu z szybkością, z jaką mogą się one rozładowywać. Ogranicza to ilość odzyskanej energii, którą akumulatory mogą zmagazynować podczas nagłego hamowania (szybkie zwalnianie). Nie zaleca się stosowania hamowania odzyskowego w warunkach pełnego naładowania. Dzieje się tak, ponieważ przeładowanie może uszkodzić baterie, ale obwód elektroniczny zapobiega ich przeładowaniu. W takim przypadku bateria kondensatorów może magazynować energię i pomóc w zwiększeniu zasięgu. Jeśli go tam nie ma, uruchamiane są hamulce mechaniczne, aby zatrzymać pojazd.

Wiemy, że energia kinetyczna jest podana przez 0,5 * m * v ². Ilość energii, jaką możemy odzyskać, zależy od masy pojazdu, a także prędkości, z jaką się porusza. Całkowita masa jest większa w ciężkich pojazdach, takich jak samochody elektryczne, autobusy elektryczne i ciężarówki. W miejskim cyklu jezdnym te ciężkie pojazdy nabierałyby dużego rozpędu po przyspieszeniu pomimo jazdy z małą prędkością. Zatem podczas hamowania dostępna energia kinetyczna jest większa w porównaniu do skutera elektrycznego poruszającego się z tą samą prędkością. Dlatego skuteczność hamowania regeneracyjnego jest większa w samochodach elektrycznych, autobusach i innych ciężkich pojazdach. Choć niewiele skuterów elektrycznych posiada funkcję hamowania odzyskowego, to jednak jego wpływ na system (ilość odzyskiwanej energii lub zwiększony zasięg) nie jest tak efektywny jak w samochodach elektrycznych.

Potrzeba banków kondensatorów lub ultra kondensatorów

Podczas hamowania musimy natychmiast zatrzymać lub zmniejszyć prędkość pojazdu. Dlatego hamowanie w tej chwili trwa krótko. Baterie mają ograniczony czas ładowania, nie możemy zrzucić więcej energii na raz, ponieważ spowoduje to degradację baterii. Oprócz tego częste ładowanie i rozładowywanie akumulatora skraca również żywotność akumulatora. Aby tego uniknąć, dodajemy do systemu baterię kondensatorów lub ultra-kondensatory. Ultra kondensatory lub superkondensatory mogą się rozładowywać i ładować przez wiele cykli bez pogorszenia wydajności, co pomaga w wydłużeniu żywotności baterii. Ultra kondensator ma szybką reakcję, co pomaga w skutecznym wychwytywaniu szczytowych / skoków energii podczas operacji hamowania regeneracyjnego.Powodem wyboru ultra kondensatora jest to, że może on przechowywać 20 razy więcej energii niż kondensatory elektrolityczne. Ten system zawiera konwerter DC na DC. Podczas przyspieszania, operacja doładowania umożliwia rozładowanie kondensatora do wartości progowej. Podczas zwalniania (tj. Hamowania) działanie buck umożliwia ładowanie kondensatora. Ultra kondensatory mają dobrą reakcję przejściową, co jest przydatne podczas uruchamiania pojazdu. Przechowując odzyskaną energię poza akumulatorem, może pomóc w zwiększeniu zasięgu pojazdu, a także może wspierać nagłe przyspieszanie za pomocą obwodu doładowania.hamowanie) działanie bucksa umożliwia ładowanie kondensatora. Ultra kondensatory mają dobrą reakcję przejściową, co jest przydatne podczas uruchamiania pojazdu. Przechowując odzyskaną energię poza akumulatorem, może pomóc w zwiększeniu zasięgu pojazdu, a także może wspierać nagłe przyspieszanie za pomocą obwodu doładowania.hamowanie) działanie bucksa umożliwia ładowanie kondensatora. Ultra kondensatory mają dobrą reakcję przejściową, co jest przydatne podczas uruchamiania pojazdu. Przechowując odzyskaną energię poza akumulatorem, może pomóc w zwiększeniu zasięgu pojazdu, a także może wspierać nagłe przyspieszanie za pomocą obwodu doładowania.