Jak funguje rekuperační brzdění v elektrických vozidlech

Brzdění je jedním z důležitých aspektů vozidla. Mechanický brzdový systém, který používáme v našich vozidlech, má velkou nevýhodu v plýtvání kinetickou energií vozidla jako teplo. To snižuje celkovou účinnost vozidla tím, že ovlivňuje spotřebu paliva. V městském jízdním cyklu máme tendenci častěji startovat a zastavovat vozidlo ve srovnání s jízdním cyklem na dálnici. Protože v městském jízdním cyklu brzdíme často, ztráta energie je větší. Inženýři přišli s rekuperačním brzdovým systémemzískat kinetickou energii rozptýlenou jako teplo při brzdění tradičním způsobem brzdění. Podle fyzikálních zákonů nemůžeme obnovit veškerou kinetickou energii, která je ztracena, ale stále můžeme značné množství kinetické energie přeměnit a uložit do baterie nebo Supercapacitoru. Získaná energie pomáhá při zlepšování spotřeby paliva u konvenčních vozidel a při rozšiřování dojezdu u elektrických vozidel. Je třeba poznamenat, že proces rekuperačního brzdění má ztráty při zpětném získávání kinetické energie. Než půjdete dále, můžete si také přečíst další zajímavý článek o EV:

• Úvod inženýra do elektrických vozidel (EV)
• Druhy motorů používaných v elektrických vozidlech

Koncept rekuperačního brzdění může být realizován v konvenčních vozidel využívajících setrvačníků. Setrvačníky jsou disky s vysokou setrvačností, které se otáčejí velmi vysokou rychlostí. Působí jako mechanické zařízení pro akumulaci energie tím, že během brzdění absorbují (ukládají) kinetickou energii vozidla. Energii získanou během procesu brzdění lze využít k pomoci vozidlu při rozjezdu nebo při jízdě do kopce.

U elektrických vozidel můžeme rekuperační brzdění začlenit mnohem efektivněji elektronicky. Tím se sníží potřeba těžkých setrvačníků, což zvyšuje celkovou hmotnost vozidla. Elektrická vozidla mají u uživatelů inherentní problém úzkosti z dojezdu. Přestože se průměrná rychlost vozidla v městském jízdním cyklu pohybuje kolem 25–40 km / h, časté zrychlení a brzdění brzy vybijí baterii. Víme, že motory mohou za určitých podmínek fungovat jako generátor. Pomocí této funkce lze zabránit plýtvání kinetickou energií vozidla. Když zabrzdíme elektrická vozidla, ovladač motoru (na základě výstupu snímače brzdového pedálu) sníží výkon nebo zastaví motor. Během této operace je řídicí jednotka motoru navržena tak, abyobnovte kinetickou energii a uložte ji do baterie nebo kondenzátorů. Regenerativní brzdění pomáhá prodloužit dojezd elektrického vozidla o 8–25%. Kromě úspory energie a zvýšení dojezdu pomáhá také při efektivní kontrole brzdění.

V mechanickém brzdovém systému působí na kolo zpětný točivý moment, když sešlápneme brzdový pedál. Podobně se v režimu rekuperačního brzdění snižuje rychlost vozidla iniciováním záporného točivého momentu (proti pohybu) v motoru pomocí ovladače motoru. Někdy jsou lidé zmateni, když si představí koncept, že motor funguje jako generátor, když se v režimu rekuperačního brzdění otáčí v opačném směru. V tomto článku lze pochopit, jak obnovit kinetickou energii pomocí metody rekuperačního brzdění v elektrických vozidlech.

Jak motor funguje jako generátor

Nejprve se zaměříme na pochopení toho, jak může motor fungovat jako generátor. Všichni jsme použili stejnosměrný motor s permanentním magnetem v robotických aplikacích, jako je line lineer. Když se kolo robota připojeného k motoru volně otáčí (externě rukou), někdy dojde k poškození IC ovladače motoru. K tomu dochází, protože motor funguje jako generátor a zadní generovaný EMF (zpětné napětí větší velikosti) se aplikuje na integrovaný obvod ovladače, což jej poškodí. Když otočíme kotvu v těchto motorech, odřízne tok z permanentních magnetů. V důsledku toho je EMF indukován, aby se postavil proti změně toku. Proto můžeme měřit napětí na svorkách motoru. Je to proto, že zadní EMF je funkcí rychlosti rotoru (ot / min). Když jsou otáčky vyšší a pokud je generovaný zpětný emf větší než napájecí napětí, pak motor funguje jako generátor. Uvidímejak tento princip funguje v elektrických vozidlech, aby se zabránilo ztrátám energie v důsledku brzdění.

Když motor zrychlí vozidlo, kinetická energie s ním spojená se zvyšuje jako druhá mocnina rychlosti. Během dojezdu vozidlo zastaví, když se kinetická energie stane nulovou. Když v elektrickém vozidle zabrzdíme, ovladač motoru pracuje tak, aby motor zastavil nebo snížil jeho rychlost. To zahrnuje obrácení směru točivého momentu motoru do směru otáčení. Během tohoto procesu generuje rotor motoru připojeného k hnací nápravě EMF v motoru (analogicky k hnacímu ústrojí / turbíně pohánějící rotor generátoru). Když je generovaný EMF větší než napětí banky kondenzátorů, proudí energie z motoru do banky. Takto získaná energie je uložena v baterii nebo kondenzátorové baterii.

Jak funguje rekuperační brzdění v elektrických vozidlech

Uvažujme, že auto má jako pohon pro svůj pohon třífázový střídavý indukční motor. Z charakteristik motoru víme, že když třífázový indukční motor běží nad jeho synchronní rychlostí, skluz se stává záporným a motor funguje jako generátor (alternátor). Za praktických okolností je rychlost indukčního motoru vždy nižší než synchronní rychlost. Synchronní otáčkyje rychlost rotujícího magnetického pole statoru produkovaného v důsledku interakce třífázového napájení. V době spuštění motoru je EMF indukovaný v rotoru maximální. Jakmile se motor začne otáčet, indukovaný EMF klesá jako funkce prokluzu. Když rychlost rotoru dosáhne synchronní rychlosti, indukovaný EMF je nulový. V tomto okamžiku, pokud se pokusíme otočit rotor nad tuto rychlost, bude indukován EMF. V tomto případě motor dodává aktivní energii zpět do sítě nebo do sítě. Za účelem snížení rychlosti vozidla používáme brzdy. V tomto případě nemůžeme očekávat, že rychlost rotoru překročí synchronní rychlost. To je místo, kde se do obrazu dostává role ovladače motoru. Pro účely porozumění můžeme vizualizovat jako příklad uvedený níže.

Předpokládejme, že se motor otáčí rychlostí 5900 ot / min a napájecí frekvence je 200 Hz, když použijeme brzdu, musíme otáčky snížit nebo snížit na nulu. Regulátor pracuje podle vstupu ze snímače brzdového pedálu a provádí tuto operaci. Během tohoto procesu nastaví regulátor napájecí frekvenci menší než 200 Hz, například 80 Hz. Proto se synchronní otáčky motoru stanou 2400 ot / min. Z pohledu ovladače motoru je rychlost motoru větší než jeho synchronní rychlost. Jelikož během brzdění snižujeme otáčky, motor nyní funguje jako generátor, dokud otáčky neklesnou na 2400. Během této doby můžeme z motoru extrahovat energii a uložit ji do baterie nebo kondenzátoru.Je třeba si uvědomit, že baterie během procesu rekuperačního brzdění nadále dodává energii třífázovým indukčním motorům. Je to proto, že indukční motory nemají zdroj magnetického toku, když je napájení VYPNUTO. Proto motor, když funguje jako generátor, odebírá jalový výkon ze zdroje, aby vytvořil spojení toku a dodává aktivní energii zpět do něj. U různých motorů je princip rekuperace kinetické energie během rekuperačního brzdění odlišný. Motory s permanentními magnety mohou fungovat jako generátor bez jakéhokoli napájení, protože má v rotoru magnety, které vytvářejí magnetický tok. Podobně málo motorů má v sobě zbytkový magnetismus, který eliminuje externí buzení potřebné k vytvoření magnetického toku.Je to proto, že indukční motory nemají zdroj magnetického toku, když je napájení VYPNUTO. Proto motor, když funguje jako generátor, odebírá jalový výkon ze zdroje, aby vytvořil spojení toku a dodává aktivní energii zpět do něj. U různých motorů je princip rekuperace kinetické energie během rekuperačního brzdění odlišný. Motory s permanentními magnety mohou fungovat jako generátor bez jakéhokoli napájení, protože má v rotoru magnety, které vytvářejí magnetický tok. Podobně málo motorů má v sobě zbytkový magnetismus, který eliminuje externí buzení potřebné k vytvoření magnetického toku.Je to proto, že indukční motory nemají zdroj magnetického toku, když je napájení VYPNUTO. Proto motor, když funguje jako generátor, odebírá jalový výkon ze zdroje, aby vytvořil spojení toku a dodává aktivní energii zpět do něj. U různých motorů je princip rekuperace kinetické energie během rekuperačního brzdění odlišný. Motory s permanentními magnety mohou fungovat jako generátor bez jakéhokoli napájení, protože má v rotoru magnety, které vytvářejí magnetický tok. Podobně málo motorů má v sobě zbytkový magnetismus, který eliminuje externí buzení potřebné k vytvoření magnetického toku.Princip rekuperace kinetické energie během rekuperačního brzdění je jiný. Motory s permanentními magnety mohou fungovat jako generátor bez jakéhokoli napájení, protože má v rotoru magnety, které vytvářejí magnetický tok. Podobně málo motorů má v sobě zbytkový magnetismus, který eliminuje externí buzení potřebné k vytvoření magnetického toku.Princip rekuperace kinetické energie během rekuperačního brzdění je jiný. Motory s permanentními magnety mohou fungovat jako generátor bez jakéhokoli napájení, protože má v rotoru magnety, které vytvářejí magnetický tok. Podobně málo motorů má v sobě zbytkový magnetismus, který eliminuje externí buzení potřebné k vytvoření magnetického toku.

Ve většině elektrických vozidel je elektromotor připojen pouze k jediné hnané nápravě (většinou k hnací nápravě zadních kol). V tomto případě musíme použít mechanický brzdový systém (hydraulické brzdění) pro přední kola. To znamená, že ovladač musí udržovat koordinaci mezi mechanickým i elektronickým brzdovým systémem při sešlápnutí brzd.

Vyplatí se rekuperační brzdění implementovat do všech elektrických vozidel?

V koncepci metody rekuperačního brzdění není pochyb o potenciálu rekuperace energie, ale má také určitá omezení. Jak již bylo uvedeno výše, rychlost nabíjení baterií je pomalá ve srovnání s rychlostí vybití. To omezuje množství rekuperované energie, které mohou baterie akumulovat při náhlém brzdění (rychlé zpomalení). Za plně nabitých podmínek se nedoporučuje používat rekuperační brzdění. Je to proto, že přebíjení může baterie poškodit, ale elektronický obvod znemožňuje jejich přebíjení. V tomto případě může kondenzátorová banka ukládat energii a pomáhat při rozšiřování dosahu. Pokud tam není, pak se zastaví pomocí mechanických brzd.

Víme, že kinetická energie je dána 0,5 * m * v ². Množství energie, které můžeme načíst, závisí na hmotnosti vozidla a také na rychlosti, kterou vozidlo jede. Celková hmotnost je více v těžkých vozidlech, jako jsou elektromobily, elektrické autobusy a nákladní automobily. V městském jízdním cyklu by tato těžká vozidla po zrychlení navzdory jízdě nízkou rychlostí získaly velkou dynamiku. Při brzdění je tedy kinetická energie k dispozici více ve srovnání s elektrickým skútrem pohybujícím se stejnou rychlostí. Proto je účinnost rekuperačního brzdění je v elektrické automobily, autobusy a jiných těžkých vozidel. Ačkoli několik elektrických skútrů má funkci rekuperačního brzdění, její dopad na systém (množství načtené energie nebo prodloužený dojezd) není tak účinný jako v elektrických automobilech.

Potřeba kondenzátorových bank nebo ultra kondenzátorů

Během brzdění musíme okamžitě zastavit nebo snížit rychlost vozidla. Proto je brzdění v tomto okamžiku na krátkou dobu. Baterie mají omezenou dobu nabíjení, nemůžeme vykládat více energie najednou, protože by se baterie zhoršila. Kromě toho časté nabíjení a vybíjení baterie také zkracuje její životnost. Abychom tomu zabránili, přidáme do systému kondenzátorovou banku nebo ultrakapacitory. Ultra kondenzátory nebo super kondenzátory se mohou vybíjet a nabíjet po mnoho cyklů bez jakéhokoli snížení výkonu, což pomáhá prodloužit životnost baterie. Ultra kondenzátor má rychlou odezvu, která pomáhá účinně zachytit energetické špičky / přepětí během regeneračního brzdění.Důvodem pro výběr ultra kondenzátoru je, že může ukládat 20krát více energie než elektrolytické kondenzátory. Tento systém obsahuje převodník DC na DC. Během akcelerace umožňuje operace zesílení kondenzátoru vybít až na prahovou hodnotu. Během zpomalování (tj. Brzdění) umožňuje operace buck nabíjení kondenzátoru. Ultra kondenzátory mají dobrou přechodovou odezvu, což je užitečné při startování vozidla. Ukládáním obnovené energie mimo baterii může pomoci prodloužit dojezd vozidla a také může podpořit náhlé zrychlení pomocí posilovacího obvodu.brzdění) operace buck umožňuje kondenzátoru nabíjet. Ultra kondenzátory mají dobrou přechodovou odezvu, což je užitečné při startování vozidla. Ukládáním obnovené energie mimo baterii může pomoci prodloužit dojezd vozidla a také může podpořit náhlé zrychlení pomocí posilovacího obvodu.brzdění) operace buck umožňuje kondenzátoru nabíjet. Ultra kondenzátory mají dobrou přechodovou odezvu, což je užitečné při startování vozidla. Ukládáním obnovené energie mimo baterii může pomoci při prodloužení dojezdu vozidla a také může podpořit náhlé zrychlení pomocí posilovacího obvodu.